KR20150143402A - Supercritical working fluid circuit with a turbo pump and a start pump in series configuration - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전용 열 엔진 시스템 및 방법과, 터보 펌프 시동 방법에 관한 것이다. 일부 구성에서, 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로를 따라 직렬로 배치되고 작동 유체 회로 내에서 작동 유체를 순환시키도록 구성되는 시동 펌프와 터보 펌프를 포함한다. 시동 펌프는 모터-구동부에 결합되는 펌프부를 가질 수 있으며 터보 펌프는 구동 터빈에 결합된 펌프부를 가질 수 있다. 일 구성에서, 시동 펌프의 펌프부는 터보 펌프의 펌프부의 하류에서 직렬로 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합된다. 다른 구성에서, 시동 펌프의 펌프부는 터보 펌프의 펌프부의 하류에서 직렬로 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합된다. The present invention relates to a thermal engine system and method for power generation, and a turbo pump starting method. In some configurations, the thermal engine system includes a starter pump and a turbo pump arranged in series along the working fluid circuit and configured to circulate the working fluid within the working fluid circuit. The starter pump may have a pump portion coupled to the motor-drive portion, and the turbo pump may have a pump portion coupled to the drive turbine. In one configuration, the pump section of the starter pump is coupled in fluid communication with the working fluid circuit in series downstream of the pump section of the turbo pump. In another configuration, the pump section of the starter pump is coupled in fluid communication with the working fluid circuit in series downstream of the pump section of the turbo pump.
Description
관련 출원의 상호 참조Cross reference of related application
본 출원은 본 명세서에 참조로 그 전체가 본 발명과 부합되는 정도로 포함된, 2013년 8월 19일자 출원된 "직렬 구성의 터보 펌프와 시동 펌프를 갖는 초임계 작동 유체 회로"란 제하의 미국 출원 제 13/969,738호와 2012년 8월 20일자 출원된 "직렬 구성의 터보 펌프와 시동 펌프를 갖는 초임계 작동 유체 회로"란 제하의 미국 출원 제 61/684,933호의 이익을 주장한다.
This application is a continuation-in-part of U. S. Provisional Patent Application Serial No. 10 / 548,501, entitled " Supercritical Working Fluid Circuit with Turbopump and Starter Pump in Series Configuration, " filed August 19, 2013, 13 / 969,738, filed on August 20, 2012, entitled " Supercritical Working Fluid Circuit with Turbopump and Starter Pump in Series Configuration, "
기술분야Technical field
본 발명은 열 엔진 시스템과, 열 엔진 시스템의 터보 펌프를 시동시키기 위한 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a heat engine system and a method for starting a turbo pump of a heat engine system.
산업적 공정 장비의 작동 온도를 유지하기 위한 노력으로 여러 방식으로 고온의 액체, 기체 또는 유체의 유동류가 주변 환경으로 배출되거나 제거되어야 하는 산업적 공정의 부산물로서 폐열이 생성되곤 한다. 일부 산업적 공정은 폐열을 수집한 후 다른 공정류를 통해 다시 공정에 재활용하기 위해 열교환기 장치를 활용한다. 그러나, 폐열의 수집 및 재활용은 고온을 활용하거나 불충분한 질량 유동 또는 다른 바람직하지 않은 상태를 갖는 산업적 공정에 의해 대체로 실행 불가능하다.In an effort to maintain the operating temperature of industrial process equipment, waste heat is often created as a byproduct of industrial processes where hot liquid, gaseous or fluid flow streams must be vented or removed in various ways. Some industrial processes utilize heat exchanger equipment to collect waste heat and then recycle it back to the process through other process streams. However, the collection and recycling of waste heat is generally impractical by utilizing high temperatures or by industrial processes with insufficient mass flow or other undesirable conditions.
폐열은 랜킨 사이클(Rankine cycle)과 같은 열역학적 방법을 채용한 다양한 터빈 발전기 또는 열 엔진 시스템에 의해 유용한 에너지로 변환될 수 있다. 랜킨 사이클과 유사 열역학적 방법은 통상적으로 전기 발전기, 펌프 또는 다른 장치에 연결된 터빈, 터보 또는 다른 팽창기의 구동을 위한 증기를 발생시키기 위해 폐열을 회수하여 활용하는 증기계 공정이다.The waste heat can be converted into useful energy by various turbine generators or thermal engine systems employing thermodynamic methods such as the Rankine cycle. The Lancin Cycle and similar thermodynamic methods are steam turbine processes that recycle and utilize waste heat to generate steam for driving turbines, turbo or other inflators, typically connected to an electric generator, pump or other device.
유기적 랜킨 사이클은 전통적인 랜킨 사이클 중에 물 대신에 낮은 비등점의 작동 유체를 활용한다. 예시적인 낮은 비등점의 작동 유체는 경량 탄화수소(예, 프로판 또는 부탄)와 할로겐화 탄화수소, 예컨대, 하이드로클로로플루오로카본(HCFCs) 또는 하이드로플루오로카본(HFCs)(예, R245fa)와 같은 탄화수소를 포함한다. 최근에는 낮은 비등점 작동 유체의 열적 불안정성, 독성, 가연성 및 제조 비용과 같은 이슈의 측면에서 일부 열역학적 사이클의 경우 암모니아와 같은 비-탄화수소 작동 유체를 순환시키기 위해 변형이 이루어지고 있다.Organic Raney cycles utilize low boiling working fluids instead of water in traditional Lancin cycles. Exemplary low boiling working fluids include hydrocarbons such as light hydrocarbons (e.g., propane or butane) and halogenated hydrocarbons such as hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) or hydrofluorocarbons (HFCs) (e.g., R245fa) . In recent years, modifications have been made to circulate non-hydrocarbon working fluids such as ammonia in some thermodynamic cycles in terms of issues such as thermal instability, toxicity, flammability and manufacturing costs of low boiling working fluids.
작동 유체 회로 전체에서 작동 유체를 가압하고 순환시키기 위해 통상적으로 펌프 또는 콤프레서가 필요하다. 펌프는 보통 모터 구동식 펌프이지만, 이러한 펌프는 작동 유체의 누출을 방지하기 위해 고가의 샤프트 밀봉부를 필요로 하고 때로 기어 박스와 가변 주파수 구동기의 구현을 필요로 하는데, 이는 시스템의 전체 비용과 복잡성을 증가시킨다. 터보 펌프는 회전자 구동 펌프(rotodynamic pump)를 작동시키는 구동 터빈을 사용하는 장치이다. 모터 구동식 펌프를 터보 펌프로 대체하는 것은 상술된 이슈 중 하나 이상을 제거하지만 동시에, 적절한 동작을 위해 구동 터빈을 통한 가열된 작동 유체의 순환에 의존하는 터보 펌프의 정상 상태 작동을 개시 및 달성하는 문제를 도입하게 된다. 터보 펌프가 성공적인 시동 시퀀스를 갖추지 못한 경우, 터보 펌프는 적절히 기능함과 함께 정상 상태 작동을 달성할 정도로 충분히 유체를 순환시킬 수 없을 것이다.A pump or compressor is typically required to pressurize and circulate the working fluid throughout the working fluid circuit. Pumps are usually motor-driven pumps, but these pumps require expensive shaft seals to prevent leakage of the working fluid and sometimes require the implementation of gearboxes and variable frequency drives, which can reduce the overall cost and complexity of the system . The turbo pump is a device that uses a drive turbine to operate a rotodynamic pump. Replacing the motor-driven pump with a turbo pump eliminates one or more of the above-mentioned issues, but at the same time it is necessary to initiate and achieve the steady-state operation of the turbo pump, which depends on the circulation of the heated working fluid through the drive turbine Problems are introduced. If the turbo pump does not have a successful start sequence, the turbo pump will function properly and will not be able to circulate enough fluid to achieve steady-state operation.
본 발명의 목적은 터보 펌프를 시동하고 터보 펌프에 의해 시스템의 정상 상태 작동에 도달하는데 적합화된 성공적인 시동 시퀀스를 제공하는 폐열 회수 열역학 사이클의 운용을 위한 열 엔진 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a thermal engine system and method for operating a waste heat recovery thermodynamic cycle that provides a successful start sequence adapted to start the turbo pump and reach a steady state operation of the system by the turbo pump.
본 발명의 실시예는 개괄적으로 발전용 열 엔진 시스템 및 방법을 제공한다. 일부 실시예에서, 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로를 따라 직렬로 배치되고 작동 유체 회로 내에서 작동 유체를 순환시키도록 구성된 시동 펌프와 터보 펌프를 포함한다. 시동 펌프는 모터-구동부(예, 기계적 또는 전기적 모터)에 결합된 펌프부를 가질 수 있고 터보 펌프는 구동 터빈에 결합된 펌프부를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 시동 펌프의 펌프부는 터보 펌프의 펌프부의 하류에 직렬로 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합된다. 다른 실시예에서, 시동 펌프의 펌프부는 터보 펌프의 펌프부의 하류에 직렬로 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합된다.Embodiments of the present invention generally provide a thermal engine system and method for power generation. In some embodiments, the thermal engine system includes a starter pump and a turbo pump arranged in series along the working fluid circuit and configured to circulate the working fluid within the working fluid circuit. The starter pump may have a pump portion coupled to the motor-drive portion (e.g., a mechanical or electrical motor) and the turbo pump may have a pump portion coupled to the drive turbine. In one embodiment, the pump section of the starter pump is coupled in fluid communication with the working fluid circuit in series downstream of the pump section of the turbo pump. In another embodiment, the pump section of the starter pump is coupled in fluid communication with the working fluid circuit in series downstream of the pump section of the turbo pump.
발전용 열 엔진 시스템 및 방법은 가열된 증기(예, 폐열 증기)와 같은 열 에너지로부터 유용한 전기 에너지를 효율적으로 발생시키도록 구성된다. 열 엔진 시스템은 하나 이상의 열교환기로 폐열 증기의 열 에너지를 수집 또는 그렇지 않으면 흡수하기 위해 작동 유체 회로 내에 포함된 초임계(supercritical) 상태(예, sc-CO2) 및/또는 미임계(subcritical) 상태(예, sub-CO2)의 작동 유체를 활용한다. 열 에너지는 파워 터빈에 의해 기계 에너지로 변환되고 이어서 파워 터빈에 결합된 파워 발생기에 의해 전기 에너지로 변환된다. 열 엔진 시스템은 발전을 행하면서 열 엔진 시스템의 효율을 최대화하기 위해 공정 제어 시스템에 의해 관리되는 여러 개의 통합 서브-시스템을 포함한다.Power generation thermal engine systems and methods are configured to efficiently generate useful electrical energy from thermal energy such as heated steam (e.g., waste heat steam). The thermal engine system may include a supercritical state (e.g., sc-CO 2 ) and / or a subcritical state (e.g., sc-CO 2 ) contained within a working fluid circuit to collect or otherwise absorb the thermal energy of the waste- (Eg, sub-CO 2 ). Thermal energy is converted to mechanical energy by a power turbine and then to electrical energy by a power generator coupled to the power turbine. Thermal engine systems include several integrated sub-systems that are managed by a process control system to maximize the efficiency of the thermal engine system while generating power.
본 명세서에 개시된 일 실시예에서, 발전용 열 엔진 시스템은 구동 터빈에 결합되어 작동되는 펌프부를 갖는 터보 펌프를 포함하고, 펌프부는 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합되고 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 순환시키도록 구성되며, 작동 유체는 작동 유체 회로 내에 제1 및 제2 질량 유동을 가질 수 있다. 열 엔진 시스템은, 작동 유체 회로에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며 열원 스트립에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며 열원 스트립으로부터 작동 유체의 제1 질량 유동으로 열 에너지를 전달하도록 구성되는 제1 열교환기를 더 포함한다. 또한, 열 엔진 시스템은 파워 터빈과 파워 발생기를 더 포함하고, 파워 터빈은 작동 유체 회로에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되고 제1 열교환기의 하류에 배치되며 파워 터빈을 통해 유동하는 작동 유체의 제1 질량 유동 내의 압력 강하에 의해 열 에너지를 기계 에너지로 변환하도록 구성되며, 파워 발생기는 파워 터빈에 결합되고 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된다. 열 엔진 시스템은 모터에 결합되어 작동되고 작동 유체 회로 내에서 작동 유체를 순환시키도록 구성되는 펌프부를 갖는 시동 펌프를 더 포함하고, 시동 펌프의 펌프부와 터보 펌프의 펌프부는 작동 유체 회로에 직렬로 유체 연통되게 결합된다. In one embodiment disclosed herein, a thermal engine system for power generation includes a turbo pump having a pump portion operatively associated with a drive turbine, the pump portion being fluidly coupled to a working fluid circuit and operatively coupled to the working fluid through a working fluid circuit And the working fluid may have first and second mass flows in the working fluid circuit. The thermal engine system is configured to be fluidly coupled to and in thermal communication with the working fluid circuit, coupled to and in thermal communication with the heat source strip, and configured to transfer thermal energy from the heat source strip to the first mass flow of working fluid And a first heat exchanger. The heat engine system further includes a power turbine and a power generator, wherein the power turbine is operatively coupled to the working fluid circuit and is operatively connected to the working fluid, the working fluid being disposed in communication with the heat exchanger and downstream of the first heat exchanger, To convert the thermal energy into mechanical energy by a pressure drop in the first mass flow of the power turbine, wherein the power generator is coupled to the power turbine and configured to convert mechanical energy into electrical energy. The heat engine system further includes a starter pump having a pump section that is operatively coupled to the motor and configured to circulate the working fluid within the working fluid circuit, wherein the pump section of the starter pump and the pump section of the turbo pump are connected in series And is fluidly coupled.
하나의 예시적인 구성에서, 시동 펌프의 펌프부는 터보 펌프의 펌프부의 하류에 직렬로 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합된다. 그러므로, 터보 펌프의 펌프부의 유출구는 시동 펌프의 펌프부의 유입구에 유체 연통되게 결합되고 유입구의 상류에 직렬로 배치될 수 있다. 다른 예시적인 구성에서, 시동 펌프의 펌프부는 터보 펌프의 펌프부의 하류에 직렬로 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합된다. 그러므로, 터보 펌프의 펌프부의 유입구는 시동 펌프의 펌프부의 유출구에 유체 연통되게 결합되고 유출구의 하류에 직렬로 배치될 수 있다.In one exemplary configuration, the pump portion of the starter pump is coupled in fluid communication with the working fluid circuit in series downstream of the pump portion of the turbo pump. Therefore, the outlet of the pump portion of the turbo pump may be fluidly coupled to the inlet of the pump portion of the starter pump and disposed in series upstream of the inlet. In another exemplary configuration, the pump section of the starter pump is coupled in fluid communication with the working fluid circuit in series downstream of the pump section of the turbo pump. Thus, the inlet of the pump section of the turbo pump can be coupled in fluid communication with the outlet port of the pump section of the starter pump and disposed in series downstream of the outlet port.
일부 실시예에서, 열 엔진 시스템은 파워 터빈에 유체 연통되게 결합되고 파워 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동을 수용하도록 구성되는 제1 레큐퍼레이터(recuperator)와 구동 터빈에 유체 연통되게 결합된 제2 레큐퍼레이터를 더 포함하며, 구동 터빈은 제2 질량 유동을 수용 및 팽창시킨 후 제2 레큐퍼레이터 내로 방출하도록 구성된다. 일부 예에서, 제1 레큐퍼레이터는 제2 질량 유동이 구동 터빈 내에서 팽창되기 전에 제1 질량 유동으로부터 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 제1 레큐퍼레이터는 파워 터빈으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열교환기로 안내되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 제2 레큐퍼레이터는 구동 터빈으로부터 방출되는 제2 질량 유동으로부터 제2 열교환기로 안내되는 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. In some embodiments, the thermal engine system includes a first recuperator coupled to the power turbine and configured to receive a first mass flow discharged from the power turbine, and a second recuperator coupled to the second turbine in fluid communication with the drive turbine, Further comprising a recuperator, wherein the drive turbine is configured to receive and expand the second mass flow and then into the second recuperator. In some instances, the first regulator may be configured to transfer residual thermal energy from the first mass flow to the second mass flow before the second mass flow is expanded in the drive turbine. The first regulator may be configured to transfer residual thermal energy from the first mass flow exiting the power turbine to the first mass flow guided to the first heat exchanger. The second recuperator may be configured to transfer residual thermal energy from the second mass flow exiting the drive turbine to the second mass flow guided to the second heat exchanger.
일부 실시예에서, 열 엔진 시스템은, 작동 유체 회로에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며 작동 유체 회로를 따라 제1 열교환기와 직렬로 배치되고 열원 스트림에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며 열원 스트림으로부터 작동 유체의 제2 질량 유동으로 열 에너지를 전달하도록 구성되는 제2 열교환기를 더 포함한다. 제2 열교환기는 열원 스트림과 열적으로 연통되며 터보 펌프의 펌프부 및 시동 펌프의 펌프부와 유체 연통될 수 있다. 본 명세서에 설명되는 여러 실시예에서, 작동 유체는 이산화탄소를 포함하고, 작동 유체 회로의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체를 포함한다. In some embodiments, the thermal engine system is in fluid communication with and in thermal communication with the working fluid circuit, is disposed in series with the first heat exchanger along the working fluid circuit, is in fluid communication with the heat source stream and is in thermal communication And a second heat exchanger configured to transfer thermal energy from the heat source stream to the second mass flow of working fluid. The second heat exchanger is in thermal communication with the heat source stream and can be in fluid communication with the pump portion of the turbo pump and the pump portion of the starter pump. In various embodiments described herein, the working fluid comprises carbon dioxide and at least a portion of the working fluid circuit comprises a working fluid in a supercritical state.
다른 실시예에서, 열 엔진 시스템은 터보 펌프의 펌프부와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통되게 결합시키는 제1 재순환 라인과, 시동 펌프의 펌프부와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통되게 결합시키는 제2 재순환 라인과, 제1 재순환 라인 내에 배열되는 제1 바이패스 밸브와, 제2 재순환 라인 내에 배열되는 제2 바이패스 밸브를 더 포함한다. In another embodiment, the thermal engine system includes a first recirculation line for coupling the pump portion of the turbo pump to the low pressure side of the working fluid circuit in fluid communication, and a second recirculation line for coupling the low pressure side of the pump portion of the starter pump to the low- A first bypass valve arranged in the first recirculation line, and a second bypass valve arranged in the second recirculation line.
본 명세서에 개시된 다른 실시예에서, 발전용 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로 전체를 통해 작동 유체를 순환시키도록 구성되는 터보 펌프와, 구동 터빈에 결합되어 작동되는 펌프부를 포함한다. 일부 예에서, 터보 펌프는 캐이싱 내에 밀폐식으로 밀봉된다. 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로를 따라 터보 펌프와 직렬로 배열되는 시동 펌프를 더 포함한다. 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로 내에서 터보 펌프의 하류에 배열되는 제1 체크 밸브와, 작동 유체 회로 내에서 시동 펌프의 펌프부의 하류에 배열되고 제1 체크 밸브와 유체 연통되게 결합되는 제2 체크 밸브를 더 포함한다. In another embodiment disclosed herein, a thermal engine system for power generation includes a turbo pump configured to circulate a working fluid through the entire working fluid circuit, and a pump portion operatively associated with the drive turbine. In some instances, the turbo pump is hermetically sealed within the casing. The thermal engine system further includes a starter pump arranged in series with the turbo pump along the working fluid circuit. The heat engine system includes a first check valve arranged downstream of the turbo pump in the working fluid circuit, a second check valve arranged downstream of the pump portion of the starter pump in the working fluid circuit and in fluid communication with the first check valve, .
열 엔진 시스템은 터보 펌프의 펌프부와 시동 펌프의 펌프부 모두에 유체 연통되게 결합되는 파워 터빈과, 터보 펌프의 펌프부와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통되게 결합시키는 제1 재순환 라인과, 시동 펌프의 펌프부와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통되게 결합시키는 제2 재순환 라인을 더 포함한다. 일부 구성에서, 열 엔진 시스템은 파워 터빈에 유체 연통되게 결합되는 제1 레큐퍼레이터와, 구동 터빈에 유체 연통되게 결합되는 제2 레큐퍼레이터를 포함한다. 일부 구성에서, 열 엔진 시스템은 제2 레큐퍼레이터에 유체 연통되게 결합되는 제3 레큐퍼레이터를 포함하고, 제1, 제2 및 제3 레큐퍼레이터는 작동 유체 회로를 따라 직렬로 배치된다. The heat engine system includes a power turbine coupled in fluid communication with both the pump portion of the turbo pump and the pump portion of the starter pump, a first recirculation line for fluidly coupling the low pressure side of the pump portion of the turbo pump with the working fluid circuit, And a second recirculation line for coupling the pump portion of the starter pump and the low pressure side of the working fluid circuit in fluid communication. In some configurations, the thermal engine system includes a first regulator coupled in fluid communication with the power turbine, and a second regulator coupled in fluid communication with the drive turbine. In some configurations, the thermal engine system includes a third regulator that is coupled in fluid communication with the second regulator, and the first, second, and third regulators are disposed in series along the working fluid circuit.
열 엔진 시스템은 터보 펌프의 펌프부와 시동 펌프의 펌프부 모두에 유체 연통되게 결합되는 응축기를 더 포함한다. 또한, 열 엔진 시스템은, 열원 스트림과 직렬로 배치되어 열적으로 연통하고 작동 유체 회로와 직렬로 배치되어 열적으로 연통되는 제1, 제2 및 제3 열교환기를 더 포함한다. The thermal engine system further includes a condenser in fluid communication with both the pump portion of the turbo pump and the pump portion of the starter pump. The thermal engine system further includes first, second, and third heat exchangers disposed in series and in thermal communication with the heat source stream and in thermal communication with the working fluid circuit in series.
본 명세서에 개시된 다른 실시예에서, 열 엔진 시스템 내의 터보 펌프를 시동시키고 그리고/또는 열 엔진 시스템으로 전기를 발생시키는 방법이 제공되며, 본 발명의 방법은 시동 펌프를 이용하여 작동 유체 회로 내에서 작동 유체를 순환시키는 단계와, 작동 유체 회로에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되는 제1 열교환기를 이용하여 열원 스트림으로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하는 단계를 포함한다. 통상, 작동 유체는 작동 유체 회로 내에 제1 질량 유동과 제2 질량 유동을 가지며, 작동 유체 회로의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체를 포함한다. 본 발명의 방법은 작동 유체를 터보 펌프의 구동 터빈 내로 유동시켜 작동 유체를 팽창시키면서 작동 유체로부터의 열 에너지를 구동 터빈의 기계 에너지로 변환시키는 단계와, 구동 터빈의 기계 에너지를 이용하여 터보 펌프의 펌프부를 구동시키는 단계를 더 포함한다. 펌프부는 구동 터빈에 결합될 수 있으며 작동 유체는 터보 펌프에 의해 작동 유체 회로 내에서 순환될 수 있다. 본 발명의 방법은 터보 펌프의 펌프부로부터 방출된 작동 유체를 터보 펌프의 펌프부와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통되게 연결시키는 제1 재순환 라인 내로 우회시키는 단계와, 터보 펌프가 자기 유지 작동 속도(self-sustaining speed of operation)에 도달될 때 제1 재순환 라인 내에 배열된 제1 바이패스 밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 방법은 시동 펌프를 정지시키고 시동 펌프와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통되게 연결시키는 제2 재순환 라인 내에 배열된 제2 바이패스 밸브를 개방하는 단계와, 시동 펌프로부터 방출된 작동 유체를 제2 재순환 라인 내로 우회시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 작동 유체를 파워 터빈 내로 유동시켜 작동 유체로부터의 열 에너지를 파워 터빈의 기계 에너지로 변환시키는 단계와, 파워 터빈에 결합된 파워 발생기를 이용하여 파워 터빈의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 단계를 더 포함한다. In another embodiment disclosed herein, there is provided a method of starting a turbo pump in a thermal engine system and / or generating electricity with a thermal engine system, the method of the present invention includes operating the pump in a working fluid circuit Circulating the fluid and transferring thermal energy from the heat source stream to the working fluid using a first heat exchanger in fluid communication with the working fluid circuit and in thermal communication therewith. Typically, the working fluid has a first mass flow and a second mass flow in a working fluid circuit, and at least a portion of the working fluid circuit comprises a working fluid in a supercritical state. The method of the present invention comprises the steps of: flowing a working fluid into a driving turbine of a turbopump to expand the working fluid while converting thermal energy from the working fluid to mechanical energy of the driving turbine; And driving the pump section. The pump section can be coupled to the drive turbine and the working fluid can be circulated in the working fluid circuit by means of a turbo pump. The method includes the steps of bypassing the working fluid discharged from the pump portion of the turbo pump into a first recirculation line in fluid communication with the pump portion of the turbo pump and the low pressure side of the working fluid circuit, Closing the first bypass valve arranged in the first recirculation line when the self-sustaining speed of operation is reached. The method includes the steps of: stopping the starter pump and opening a second bypass valve arranged in a second recirculation line to connect the starter pump and the low pressure side of the working fluid circuit in fluid communication; Into the second recirculation line. The method also includes the steps of flowing the working fluid into the power turbine to convert the thermal energy from the working fluid to the mechanical energy of the power turbine and the mechanical energy of the power turbine using a power generator coupled to the power turbine, Energy into energy.
일부 실시예에서, 본 발명의 방법은 작동 유체를 작동 유체 회로 내에 배열된 파워 터빈 주변으로 우회하도록 차단 밸브를 폐쇄한 후에 시동 펌프를 이용하여 작동 유체를 작동 유체 회로 내에서 순환시키는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 터보 펌프가 자기 유지 작동 속도에 도달하면 차단 밸브를 개방시켜 작동 유체를 파워 터빈 내로 안내하는 단계와, 파워 터빈 내에서 작동 유체를 팽창시키는 단계와, 전력을 발생시키기 위해 파워 터빈에 결합되어 작동되는 파워 발생기를 구동시키는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 터보 펌프가 자기 유지 작동 속도에 도달하면 차단 밸브를 개방하는 단계와, 파워 터빈에 유체 연통되게 결합되고 열원 스트림과 열적으로 연통되는 제2 열교환기 내로 작동 유체를 안내하는 단계와, 열원 스트림으로부터 제2 열교환기 내의 작동 유체로 추가적인 열 에너지를 전달하는 단계와, 파워 터빈 내에서 제2 열교환기로부터 수용된 작동 유체를 팽창시키는 단계와; 파워 터빈에 결합되어 작동되는 파워 발생기를 구동시키는 단계로서, 파워 발생기의 구동에 의해 파워 발생기는 전력을 발생시키도록 작동될 수 있는 것인, 구동 단계를 더 포함한다. In some embodiments, the method of the present invention includes circulating a working fluid in a working fluid circuit using a starter pump after closing the shut-off valve to bypass working fluid around the power turbine arranged in the working fluid circuit . In another embodiment, the method includes opening the shut-off valve when the turbo pump reaches a self-sustaining operating speed, guiding the working fluid into the power turbine, inflating the working fluid in the power turbine, And driving the power generator coupled to the power turbine to generate the power. In another embodiment, a method of the present invention includes opening a shut-off valve when the turbo pump reaches a self-sustaining operating speed, introducing a working fluid into the second heat exchanger in fluid communication with the power turbine and in thermal communication with the heat source stream Conveying additional heat energy from the heat source stream to the working fluid in the second heat exchanger; inflating the working fluid received from the second heat exchanger in the power turbine; The method comprising the steps of: driving a power generator coupled to and operating on a power turbine, wherein the power generator is operable to generate power by driving the power generator.
일부 실시예에서, 본 발명의 방법은 터보 펌프가 자기 유지 작동 속도에 도달하면 차단 밸브를 개방하는 단계와; 작동 유체를 열원 스트림과 열적으로 연통되는 제2 열교환기 내로 안내하는 단계로서, 제1 및 제2 열교환기는 열원 스트림 내에 직렬로 배열되는 것인, 안내 단계와; 작동 유체를 제2 열교환기로부터 파워 터빈에 유체 연통되게 결합되고 열원 스트림과 열적으로 연통되는 제3 열교환기 내로 안내하는 단계로서, 제1, 제2 및 제3 열교환기는 열원 스트림 내에 직렬로 배열되는 것인, 안내 단계와; 열원 스트림으로부터 제3 열교환기 내의 작동 유체로 추가적인 열 에너지를 전달하는 단계와, 제3 열교환기로부터 수용된 작동 유체를 파워 터빈 내에서 팽창시키는 단계와; 파워 터빈에 결합되어 작동되는 발전기를 구동시키는 단계로서, 발전기의 구동에 의해 발전기는 전력을 발생시키도록 작동될 수 있는 것인, 구동 단계를 더 포함한다. In some embodiments, the method includes opening a shut-off valve when the turbo pump reaches a self-sustaining operating speed; Guiding the working fluid into a second heat exchanger in thermal communication with the heat source stream, wherein the first and second heat exchangers are arranged in series in the heat source stream; Directing working fluid from the second heat exchanger into the third heat exchanger in fluid communication with the power turbine and in thermal communication with the heat source stream, wherein the first, second and third heat exchangers are arranged in series in the heat source stream A guiding step; Transferring additional thermal energy from the heat source stream to the working fluid in the third heat exchanger; inflating the working fluid received from the third heat exchanger in the power turbine; The method comprising the steps of: driving a generator coupled to a power turbine, wherein the generator is operable to generate power by driving the generator.
도 1a는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 열 엔진 시스템의 개략도이다.
도 1b는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른 다른 열 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 캐스캐이드 열역학적 폐열 회수 사이클로 구성된 열 엔진 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 평행 열 엔진 사이클로 구성된 열 엔진 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 다른 평행 열 엔진 사이클로 구성된 다른 열 엔진 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 다른 평행 열 엔진 사이클로 구성된 다른 열 엔진 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 열역학적 작동 유체 회로를 갖는 열 엔진 시스템 내의 터보 펌프를 시동시키는 방법의 흐름도이다. IA is a schematic diagram of a thermal engine system according to one or more embodiments disclosed herein.
1B is a schematic diagram of another thermal engine system according to one or more embodiments disclosed herein.
2 is a schematic diagram of a thermal engine system configured with a cascade thermodynamic waste heat recovery cycle in accordance with one or more embodiments disclosed herein.
3 is a schematic diagram of a thermal engine system configured with parallel thermal engine cycles in accordance with one or more embodiments disclosed herein.
4 is a schematic diagram of another heat engine system configured with different parallel heat engine cycles in accordance with one or more embodiments disclosed herein.
5 is a schematic diagram of another heat engine system configured with different parallel heat engine cycles in accordance with one or more embodiments disclosed herein.
6 is a flow diagram of a method for starting a turbo pump in a thermal engine system having thermodynamic working fluid circuitry in accordance with one or more embodiments disclosed herein.
본 발명은 첨부 도면과 함께 판독시 다음의 상세한 설명으로부터 잘 이해된다. 산업계의 표준 관행에 따라 다양한 특징부가 비율대로 작도되는 것은 아니라는 것이 강조된다. 사실, 다양한 특징부의 치수는 논의의 명확성을 위해 임의로 증가 또는 감소될 수 있다. The invention is better understood from the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings. It is emphasized that the standard practice of the industry does not constitute a multiplicity of features. In fact, the dimensions of the various features may optionally be increased or decreased for clarity of discussion.
도 1a 및 도 1b는 열 엔진 시스템(100a, 100b)의 단순화된 개략도를 나타내는데, 이들 시스템은 열 엔진, 전력 발생 장치, 열 회수 시스템, 및/또는 열-전기 시스템으로도 지칭될 수 있다. 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 광범위한 열원으로부터 파워(예, 전기)를 발생시키도록 구성된 랜킨 열역학적 사이클의 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "열 엔진"(thermal engine or heat engine)이란 용어는 개괄적으로 본 명세서에 개시된 다양한 열역학적 사이클의 실시예를 실행하는 장비 세트를 말한다. "열 회수 시스템"이란 용어는 개괄적으로 열 엔진에 대해 열을 전달/제거하기 위해 다른 장비와 협력하는 열 엔진을 말한다.FIGS. 1A and 1B show simplified schematic diagrams of
열 엔진 시스템(100a, 100b)은 개괄적으로 작동 유체를 포함하는 작동 유체 회로(102)에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되는 적어도 하나의 열교환기(103)와 파워 터빈(110)을 포함한다. 일부 구성에서, 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 하나의 열교환기(103)를 포함하다. 그러나, 다른 구성에서 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102)에 유체 연통되게 결합되고 열원 스트림(90)(예, 폐열원으로부터 흐르는 폐열 스트림)에 유체 연통되게 결합되도록 구성된 2개, 3개 또는 그 이상의 열교환기(103)를 포함한다. 파워 터빈(110)은 익스팬더(expander) 또는 터빈과 같은 임의의 종류의 팽창 장치일 수 있고, 파워 터빈(10)에 의해 생성된 샤프트 일을 받아 전기를 발생시키도록 구성된 교류 발전기(alternator), 파워 발생기(112) 또는 다른 장치/시스템과 작동적으로 결합될 수 있다. 파워 터빈(110)은 열교환기(103)로부터 제어 밸브(133)를 통해 흐르는 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내의 고압측으로 받아들이는 유입구를 포함한다. 또한, 파워 터빈(110)은 작동 유체를 작동 유체 회로(102)의 저압측으로 방출하는 유출구를 가진다. 제어 밸브(133)은 열교환기(103)로부터 파워 터빈(110)의 유입구로 작동 유체의 흐름을 제어하도록 작동적으로 구성될 수 있다.The
열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102) 내에 배치된 터보 펌프(124)와 시동 펌프(129)와 같은 다양한 펌프를 더 포함한다. 터보 펌프(124)와 시동 펌프(129) 각각은 작동 유체 회로(102)의 저압측과 고압측 사이에 유체 연통되게 결합된다. 구체적으로, 터보 펌프(124)의 펌프부(104)와 구동 터빈(116)과, 시동 펌프(129)의 펌프부(128) 각각은 작동 유체 회로(102)의 저압측과 고압측 사이에 독립적으로 유체 연통되게 결합된다. 터보 펌프(124)와 시동 펌프(129)는 작동 유체 회로(102) 전체에 걸쳐 작동 유체를 순환시키고 압축하도록 작동할 수 있다. 시동 펌프(129)는 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체를 초기에 압축하고 순환시키도록 사용될 수 있다. 일단 작동 유체 회로(102) 내에서 작동 유체가 미리 정해진 압력, 온도 및/또는 유동 속도가 얻어지면, 시동 펌프(129)는 비작동되거나 공전되거나 시동이 꺼질 수 있고, 터보 펌프(124)가 사용되어 작동 유체를 순환시키는 한편 전기를 발생시킨다.The
도 1a 및 도 1b는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)와 시동 펌프(129)의 펌프부(128)가 작동 유체 회로(102)에 직렬로 유체 연통되게 결합되도록 터보 펌프(124)와 시동 펌프(129)가 작동 유체 회로(102)에 직렬로 유체 연통되게 결합된 것을 나타낸다. 일 실시예에서, 도 1a는 작동 유체가 응축기(122)로부터 터보 펌프(124)의 펌프부(104)를 통해 그리고 연속으로 시동 펌프(129)의 펌프부(128)를 통해 계속해서 파워 터빈(110)으로 흐를 수 있도록 터보 펌프(124)의 펌프부(104)가 시동 펌프(129)의 펌프부(128)의 상류에 유체 연통되게 결합된 것을 보여준다. 다른 실시예에서, 도 1b는 작동 유체가 응축기(122)로부터 시동 펌프(129)의 펌프부(128)를 통해 그리고 연속으로 터보 펌프(124)의 펌프부(104)를 통해 계속해서 파워 터빈(110)으로 흐를 수 있도록 시동 펌프(129)의 펌프부(128)가 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 상류에 유체 연통되게 결합된 것을 보여준다.Figures 1a and 1b illustrate a
시동 펌프(129)는 전기 모터 펌프, 기계 모터 펌프 또는 다른 종류의 펌프와 같은 모터 작동식 펌프일 수 있다. 통상적으로, 시동 펌프(129)는 가변 주파수 모터 작동식 구동 펌프일 수 있고, 펌프부(128)와 모터-구동부(130)를 포함한다. 시동 펌프(129)의 모터-구동부(130)는 모터와 구동 샤프트 및 선택적인 기어(도시 생략)를 포함하는 구동부를 포함한다. 일부 예에서, 모터-구동부(130)는 가변 주파수 구동부를 포함하며, 그에 따라 모터의 속도는 구동부에 의해 조절될 수 있다. 모터-구동부(130)는 외부 전원에 의해 작동될 수 있다.The
시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 이에 결합된 모터-구동부(130)에 의해 구동될 수 있다. 일 실시예에서, 도 1a에 표현된 바와 같이, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 유출구로부터 작동 유체를 받아들이기 위한 유입구를 갖는다. 또한, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 작동 유체를 파워 터빈(110)의 상류의 작동 유체 회로(102) 내로 방출하는 유출구를 가진다. 다른 실시예에서, 도 1b에 표현된 바와 같이, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 작동 유체 회로(102)의 저압축으로부터, 예컨대 응축기(122)로부터, 작동 유체를 받아들이는 유입구를 가진다. 또한, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 작동 유체를 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 상류의 작동 유체 회로(102) 내로 방출하는 유출구를 가진다.The
터보 펌프(124)는 통상적으로 터보/터빈-구동 펌프 또는 콤프레서이고 작동 유체 회로(102) 전체에 걸쳐 작동 유체를 압축하고 순환시키는데 사용된다. 터보 펌프(124)는 구동 샤프트(123)와 선택적인 기어박스에 의해 함께 결합되는 펌프부(104)와 구동 터빈(116)을 포함한다. 터보 펌프(124)의 펌프부(104)는 구동 터빈(116)에 결합된 구동 샤프트(123)에 의해 구동될 수 있다.
터보 펌프(124)의 구동 터빈(116)은 익스팬터 또는 터빈과 같은 임의의 종류의 팽창 장치일 수 있고, 구동 터빈(116)에 의해 발생된 샤프트 일을 받도록 구성된 펌프부(104) 또는 다른 콤프레서/펌프 장치에 작동적으로 결합될 수 있다. 구동 터빈(116)은 열교환기(103)에 의해 가열된 작동 유체와 같은 가열 및 압축된 작동 유체에 의해 구동될 수 있다. 구동 터빈(116)은 열교환기(103)로부터 제어 밸브(143)를 통해 유동되는 작동 유체를 작동 유체 회로(102)의 고압측에 받아들이는 유입구를 가진다. 구동 터빈(116)은 또한 작동 유체를 작동 유체 회로(102)의 저압측 내로 방출하는 유출구를 가진다. 제어 밸브(143)는 열교환기(103)로부터 구동 터빈(116)의 유입구로 작동 유체의 유동을 제어하도록 작동적으로 구성될 수 있다.The
일 실시예에서, 도 1a에 표현된 바와 같이, 터보 펌프(124)의 펌프부(104)는 작동 유체 회로(102)의 저압측으로부터 작동 유체를 예컨대 응축기(122)의 하류에 받도록 구성된 유입구를 가진다. 터보 펌프(124)의 펌프부(104)는 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내로 시동 펌프(129)의 펌프부(128)의 상류로 방출하는 유출구를 갖는다. 추가로, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 유출구로부터 작동 유체를 받도록 구성된 유입구를 갖는다.1A, the
다른 실시예에서, 도 1b에 표현된 바와 같이, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 작동 유체 회로(102)의 저압측으로부터 예컨대 응축기(122)의 하류로 작동 유체를 받도록 구성된 유입구를 갖는다. 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내로 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 상류로 방출하는 유출구를 갖는다. 또한, 터보 펌프(124)의 펌프부(104)는 시동 펌프(129)의 펌프부(128)의 유출구로부터 작동 유체를 받도록 구성된 유입구를 갖는다.1B, the
시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 예열 공정 중에 작동 유체 회로(102) 내에서 작동 유체를 순환 및/또는 압축하도록 구성된다. 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)와 직렬로 구성된다. 도 1a에 예시된 일례에서, 열 엔진 시스템(100a)은 펌프부(104)의 방출 라인과 유체 연통되게 결합되고 펌프부(104)의 방출 라인(104)과 펌프부(128) 사이에 배치된 흡입 라인(127)을 포함한다. 흡입 라인(127)은 펌프부(104)와 펌프부(128)로부터 흐름을 제공한다. 도 1b에 예시된 다른 예에서, 열 엔진 시스템(100b)은 펌프부(104)와 펌프부(128) 사이에 유체 연통되게 결합되고 배치된 라인(131)을 포함한다. 라인(131)은 펌프부(104)와 펌프부(128)로부터 흐름을 제공한다. 시동 펌프(129)는 제2 질량 유동(m2)의 질량 유량과 온도가 터보 펌프(124)를 자기 유지 모드로 작동시키기에 충분할 때까지 작동될 수 있다.The
일 실시예에서, 터보 펌프(124)는 샤프트 밀봉부가 펌프부(104)와 구동 터빈(116) 사이에서 구동 샤프트(123)를 따라 필요하지 않도록 하우징 또는 케이싱 내에 밀폐식으로 밀봉된다. 샤프트 밀봉부를 제거하는 것은 유리한데, 이는 열 엔진 시스템(100a 또는 100b)에 대한 자본 비용을 감소시키는데 도움이 되기 때문이다. 또한, 터보 펌프(124)를 케이싱(126)으로 밀폐식으로 밀봉하는 것은 작동 유체의 외부로의 누출을 없애는 것에 의해 상당한 절감을 제공한다. 그러나, 다른 실시예에서, 터보 펌프(124)는 밀폐식으로 밀봉될 필요가 없다.In one embodiment, the
하나 이상의 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a 또는 100b)의 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체는 이산화탄소를 포함한다. 이산화탄소란 용어의 사용은 임의의 특정 종류, 순도 또는 품질의 이산화탄소로 한정되는 것으로 의도된 것이 아니다. 예를 들면, 산업용 등급의 이산화탄소를 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 작동 유체는 이원, 삼원 또는 기타의 작동 유체 혼합물일 수 있다. 예를 들면, 작동 유체 조합은 본 명세서에 설명되는 바와 같이 열 회수 시스템 내의 조합이 갖는 특유의 속성을 위해 선택될 수 있다. 하나의 이러한 유체 조합은 해당 조합이 액체 상태로 이산화탄소를 압축하는데 필요한 것보다 낮은 에너지 입력으로 고압으로 펌핑될 수 있게 하는 액체 흡착제 및 이산화탄소 혼합물을 포함한다. 다른 실시예에서, 작동 유체는 이산화탄소와 일종 이상의 다른 혼합성 유체의 조합일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 작동 유체는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 이산화탄소 및 프로판 또는 이산화탄소 및 암모니아의 조합일 수 있다.In at least one embodiment, the working fluid in the working
"작동 유체"란 용어의 사용은 작동 유체의 물질의 상태 또는 상을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 예를 들면, 작동 유체 또는 작동 유체의 일부는 작동 유체 회로(102), 열 엔진 시스템(100a 또는 100b) 또는 열역학적 사이클 내의 임의의 하나 이상의 포인트에서 액체상, 기체상, 유체상, 미임계 상태, 초임계 상태 또는 임의의 다른 상 또는 상태일 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 작동 유체는 작동 유체 회로(102)의 소정의 부분(예, 고압측)에 걸쳐 초임계 상태로 있을 수 있으며, 작동 유체 회로(102)의 다른 부분(예, 저압측)에서는 초임계 상태 또는 미임계 상태로 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 전체 열역학적 사이클은 작동 유체가 전체 작동 유체 회로(102)에 걸쳐 초임계 또는 미임계 상태로 유지되도록 작동될 수 있다.The use of the term "working fluid" is not intended to limit the state or aspect of the material of the working fluid. For example, the working fluid or a portion of the working fluid may be in a liquid phase, a gas phase, a fluid phase, a microcritical state, a supercritical state at any one or more points within the working
조합된 상태에서 그리고 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 작동 유체는 m1+m2로 특징지워질 수 있는데, 여기서 m1은 제1 질량 유동이고 m2는 제2 질량 유동이지만, 각각의 질량 유동(m1, m2)은 작동 유체 회로(102) 전체에 걸쳐 순환되는 동일한 작동 유체 덩어리(mass)의 일부이다. 터보 펌프(124)의 펌프부(104)로부터 조합된 작동 유체(m1+m2)는 열교환기(103)로 유도된다. 제1 질량 유동(m1)은 파워 발생기(112)를 구동시키기 위해 파워 터빈(110)으로 유도된다. 제2 질량 유동(m2)은 펌프부(104)를 구동시키는데 필요한 에너지를 제공하기 위해 열교환기(102)로부터 다시 구동 터빈(116)으로 유도된다. 파워 터빈(110)과 구동 터빈(116)을 통과한 제1 및 제2 질량 유동은 합류된 후 응축기(122)로 그리고 다시 터보 펌프(124)로 유도되어 사이클이 새로이 시작된다.In combination and as used herein, the working fluid may be characterized as m 1 + m 2 , where m 1 is the first mass flow and m 2 is the second mass flow, but each mass flow m 1 and m 2 are part of the same working fluid mass circulated throughout the working
터보 펌프(124)의 정상 상태 작동은 적어도 부분적으로 구동 터빈(116) 내에서 팽창되는 제2 질량 유동(m2)의 질량 유량 및 온도에 의존한다. 제2 질량 유동(m2)의 질량 유량 및 온도가 충분히 증가될 때까지는 구동 터빈(116)은 펌프부(104)를 자기 유지 작동되게 적절히 구동시킬 수 없다. 따라서, 열 엔진 시스템(100a)의 시동시 그리고 터보 펌프(124)가 작동을 "증가"(ramp-up)시켜 작동 유체를 적절히 순환시킬 수 있을 때까지는 열 엔진 시스템(100a 또는 100b)은 시동 펌프(129)를 사용하여 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내에서 순환시킨다.Steady state operation of the
터보 펌프(124)의 시동 시퀀스를 용이하게 하기 위해, 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102) 전체에 걸쳐 미리 정해진 위치에 배열된 일련의 체크 밸브, 바이패스 밸브, 및/또는 차단 밸브를 더 포함할 수 있다. 이들 밸브는 터보 펌프(124)의 정상 상태 작동이 유지될 수 있을 때까지 작동 유체를 적절한 도관 내로 유도하는데 협력하여 작동될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다양한 밸브는 자동화된 제어 시스템(도시 생략)에 결합된 자동화된 또는 반자동화된 모터-구동 밸브일 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브들은 수동 조정 가능하거나 자동 및 수동 조정식이 조합된 형태일 수 있다.In order to facilitate the start-up sequence of the
도 1a는 일 실시예에서 설명된 바와 같이 펌프부(104)의 하류에 배열된 제1 체크 밸브(146)와 펌프부(128)의 하류에 배열된 제2 체크 밸브(148)를 나타낸다. 도 1b는 일 실시예에서 설명되는 바와 같이 제1 체크 밸브(146)가 펌프부(104)의 하류에 배열된 것을 나타낸다. 체크 밸브(146, 148)는 열 엔진 시스템(100a)의 다양한 작동 단계 중에 작동 유체가 각각의 펌프부(104, 128)의 상류로 유동되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 열 엔진 시스템(100a)의 시동 및 작동 증진 중에 시동 펌프(129)는 도 1a에 나타낸 바와 같이 펌프부(104)의 방출 라인(105)과 펌프부(128)의 흡입 라인(127)에서의 저압에 비해 제1 체크 밸브(146)의 하류(예, 150 지점)에 상승된 수두 압력(head pressure)을 형성한다. 따라서, 제1 체크 밸브(146)는 펌프부(128)로부터 방출되는 고압의 작동 유체가 펌프부(104) 측으로 재순환되는 것을 방지함으로써 작동 유체가 열교환기(103) 내로 유동되는 것을 보장한다.Figure 1A shows a
터보 펌프(124)가 해당 펌프의 펌프부(104)가 시동 펌프(129)에 의해 형성된 수두 압력을 거슬러 적절히 펌핑을 행할 수 있는 터보 펌프(124)의 실속 속도(stall speed)를 지나 가속될 때까지, 펌프부(104)로부터 방출되는 저압의 작동 유체의 일부를 우회하기 위해 제1 재순환 라인(152)을 사용할 수 있다. 제1 재순환 라인(152) 내에는 제1 바이패스 밸브(154)가 배열될 수 있는데, 해당 밸브는 터보 펌프(124)가 작동 증진되거나 그렇지 않으면 속도를 높여 저압 작동 유체가 예컨대 열교환기(103)의 하류와 펌프부(104, 128)의 앞의 작동 유체 회로(102)의 임의의 지점으로 다시 작동 유체 회로(102)로 재순환될 수 있게 하는 동안 완전히 또는 부분적으로 개방될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 재순환 라인(152)은 펌프부(104)의 유출구를 응축기(122)의 유입구에 유체 연통되게 결합할 수 있다.When the
일단 터보 펌프(124)가 자기 유지 속도를 획득하면, 제1 재순환 라인(152) 내의 바이패스 밸브(154)는 점진적으로 폐쇄될 수 있다. 바이패스 밸브(154)의 점진적인 폐쇄는 펌프부(104)로부터 방출측의 유체 압력을 증가시키고 제1 재순환 라인(152)을 통한 유량을 감소시킬 것이다. 결국, 일단 터보 펌프(124)가 정상 상태 작동 속도에 도달하면, 바이패스 밸브(154)는 완전히 폐쇄될 수 있고 펌프부(104)로부터 방출되는 작동 유체 전체가 제1 체크 밸브(146)를 통해 유도될 수 있다. 또한, 일단 정상 상태 작동 속도가 달성되면, 시동 펌프(129)는 불필요해져서 작동 정지될 수 있다. 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 밸브와 그 내부의 다른 성분을 조절, 작동 또는 제어하도록 구성된 자동화 제어 시스템(도시 생략)을 가질 수 있다.Once the
도 1a에 나타낸 바와 같은 다른 실시예에서, 시동 펌프(129)에 손상을 야기하지 않고 시동 펌프(129)의 작동 정지를 가능케 하기 위해, 내부에 제2 바이패스 밸브(160)가 배열된 제2 재순환 라인(158)이 펌프부(128)로부터 방출되는 저압의 작동 유체를 열 엔진 시스템(100a) 내의 작동 유체 회로(102)의 저압측으로 전달할 수 있다. 작동 유체 회로(102)의 저압측은 열교환기(103)의 하류와 펌프부(104, 128)의 이전의 작동 유체 회로(102)의 임의의 지점일 수 있다. 제2 바이패스 밸브(160)는 펌프부(128)로부터 방출되는 모든 작동 유체를 제2 체크 밸브(148)를 통해 전달하도록 통상적으로 시동 및 작동 증진 중에 폐쇄된다. 그러나, 시동 펌프(129)가 출력을 낮춤에 따라 제2 체크 밸브(148)를 지난 수두 압력은 펌프부(128)의 방출 압력보다 커진다. 펌프부(128)에 대해 부담 완화를 제공하기 위해 제2 바이패스 밸브(160)가 점진적으로 개방됨으로써 작동 유체가 작동 유체 회로의 저압 측으로 빠져나가도록 할 수 있다. 결국, 제2 바이패스 밸브(160)는 펌프부(128)의 속도가 느려져서 정지될 때 완전히 개방될 수 있다.In another embodiment as shown in FIG. 1A, in order to enable the
시동 펌프(129)를 터보 펌프(124)에 직렬로 연결하는 것은 시동 펌프(129)에 의해 발생된 압력이 자기 유지 상태가 얻어질 때까지 터보 펌프(124)에 의해 발생된 압력에 누적되게 작용하도록 한다. 터보 펌프와 병렬 연결된 시동 펌프에 비해, 직렬로 연결된 시동 펌프(129)는 동일하지만 훨씬 낮은 압력차로 유량을 공급한다. 시동 펌프(129)는 터보 펌프(124)처럼 많은 압력차를 발생시켜야 하는 것은 아니다. 그러므로, 펌프부(128)를 작동시키기 위한 파워 조건이 감소됨으로써 펌프부(128)의 작동에 작은 모터-구동부(130)가 사용될 수 있다.Connecting the
본 명세서에 개시된 일부 실시예에서, 도 1a에 나타낸 바와 같이 시동 펌프(129)와 터보 펌프(124)는 작동 유체 회로(102)를 따라 직렬로 유체 연통되게 결합될 수 있는 반면, 터보 펌프(124)의 펌프부(104)는 시동 펌프(129)의 펌프부(128)의 상류에 배치된다. 터보 펌프(124)와 시동 펌프(129)의 이러한 직렬 구성은 예열 또는 시동 처리 중에 터보 펌프(124)를 자기 유지 작동시키면서 작동 유체 회로(102) 내의 압력을 효율적으로 증가시키는 것에 의해 시동 펌프(129)에 대한 파워 요구의 감소를 제공한다.In some embodiments described herein, the
본 명세서에 개시된 다른 실시예에서, 도 1b에 나타낸 바와 같이 시동 펌프(129)와 터보 펌프(124)는 작동 유체 회로(102)를 따라 직렬로 유체 연통되게 결합되는 반면, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 상류에 배치된다. 시동 펌프(129)와 터보 펌프(124)의 이러한 직렬 구성은 시동 펌프(129)에 대한 압력 요건의 감소를 제공한다. 그러므로, 시동 펌프(129)는 터보 펌프(124)의 캐비테이션(cavitation)의 위험을 완화하도록 저속 부스터 펌프로서 기능할 수도 있다. 저속 부스터 펌프의 기능은 캐비테이션 없이 포화에 가깝게 작동함으로써 터빈 압력 비율을 높이는 것에 의해 보다 높은 사이클 출력을 가능케 하는 것이다.1b, the
본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a)(도 1a)과 열 엔진 시스템(100b)(도 1b) 모두는 펌프부(104)가 작동 유체 회로(102)에 유체 연통되게 결합되어 작동 유체를 작동 유체 회로(102)를 통해 순환시킬 수 있게 구성되도록 구동 터빈(116)에 결합되어 작동되는 펌프부(104)를 갖는 터보 펌프(124)를 포함한다. 작동 유체는 작동 유체 회로(102) 내에 제1 질량 유동(m1)과 제2 질량 유동(m2)을 가진다. 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102)에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며, 열원 스트립(90)(예, 폐열원으로부터 흐르는 폐열 스트림)에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되고, 열원 스트림(90)으로부터 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 제1 질량 유동으로 열 에너지를 전달하도록 구성된, 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 열교환기(103)를 포함할 수 있다. 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 파워 터빈(110)에 결합된 파워 발생기(112)도 포함한다. 파워 터빈(110)은 작동 유체 회로(102)에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며 제1 열교환기(103)의 하류에 배치된다. 파워 터빈(110)은 통상 파워 터빈(110)을 통해 유동하는 작동 유체의 제1 질량 유동에서의 압력 강하에 의해 열 에너지를 기계 에너지로 변환시키도록 구성된다. 파워 발생기(112)는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성된 교류 발전기와 같은 다른 장치로 대체될 수 있다.In both the
열 엔진 시스템(100a, 100b)은 모터-구동부(130)에 결합되어 작동되고 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내에서 순환시키도록 구성된 펌프부(128)를 갖는 시동 펌프(129)를 더 포함한다. 예를 들면, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)와 터보 펌프(124)의 펌프부(104)는 작동 유체 회로(102)에 직렬로 유체 연통되게 결합될 수 있다.The
도 1a에 나타낸 바와 같은 하나의 예시적인 구성에서, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)에 대해 하류에 그리고 직렬로 작동 유체 회로(102)에 유체 연통되게 결합된다. 그러므로, 열 엔진 시스템(100a)은 시동 펌프(129)의 펌프부(128)의 유입구에 대해 유체 연통되게 상류에 직렬로 결합될 수 있는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 유출구를 갖는다. 도 1b에 나타낸 바와 같은 다른 예시적인 구성에서, 시동 펌프(129)의 펌프부(128)는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)에 대해 상류에 직렬로 작동 유체 회로(102)에 유체 연통되게 결합된다. 그러므로, 열 엔진 시스템(100b)은 시동 펌프(129)의 펌프부(128)의 유출구에 대해 유체 연통되게 하류에 직렬로 결합될 수 있는 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 유입구를 갖는다.1A, the
일부 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 파워 터빈(110)에 유체 연통되게 결합되고 파워 터빈(110)으로부터 방출되는 제1 질량 유동을 받도록 구성된 제1 레큐퍼레이터 또는 122와 같은 응축기를 더 포함한다. 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 구동 터빈(116)에 유체 연통되게 결합된 제2 레큐퍼레이터 또는 응축기(도시 생략)도 포함할 수 있는데, 여기서 구동 터빈(116)은 제2 질량 유동을 수용하여 팽창시킨 후 추가적인 레큐퍼레이터 또는 응축기 내로 방출하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 레큐퍼레이터 또는 응축기(122)는 제2 질량 유동이 구동 터빈(116) 내에서 팽창되기 전에 제1 질량 유동으로부터 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 레큐퍼레이터 또는 응축기(122)는 파워 터빈(110)으로부터 방출되는 제1 질량 유동으로부터 제1 열교환기(103)로 전달되는 제1 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 추가의 레큐퍼레이터 또는 응축기는 구동 터빈(116)으로부터 방출되는 제2 질량 유동으로부터 제1 열교환기(103) 내에 포함된 것과 같은 제2 열교환기로 전달된 제2 질량 유동으로 잔류 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102)에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며 작동 유체 회로(102)를 따라 제1 열교환기(103)와 직렬로 배치된 제2 열교환기(103)를 더 포함한다. 제2 열교환기(103)는 열원 스트림(90)에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며 열원 스트림(90)으로부터 작동 유체의 제2 질량 유동으로 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 제2 열교환기(103)는 열원 스트림(90)과 열적으로 연통되고 터보 펌프(124)의 펌프부(104)와 시동 펌프(129)의 펌프부(128)와 유체 연통될 수 있다. 본 명세서에 설명되는 일부 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a 또는 100b)은 직렬로 배치되고 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체에 의해 열원 스트림(90)과 열적으로 연통되는 103과 같은 제1, 제2 및 제3 열교환기를 포함한다. 또한, 열교환기(103)는 직렬, 병렬 또는 그 조합으로 배치되고 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체에 의해 열원 스트림(90)과 열적으로 연통될 수 있다. 본 명세서에 설명되는 여러 실시예에서, 작동 유체는 이산화탄소를 포함하고 작동 유체 회로(102)의 적어도 일부, 예컨대 고압측은 초임계 상태의 작동 유체를 포함한다.In some embodiments, the
다른 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 제1 재순환 라인(152)과 그 내부에 배치된 제1 바이패스 밸브(154)를 더 포함한다. 제1 재순환 라인(152)은 작동 유체 회로(102)의 저압측에 터보 펌프(124)의 펌프부(104)에 유체 연통되게 결합될 수 있다. 또한, 열 엔진 시스템(100a)은 도 1a에 나타낸 바와 같이 제2 재순환 라인(158)과 그 내부에 배치된 제2 바이패스 밸브(160)를 포함한다. 제2 재순환 라인(158)은 작동 유체 회로(102)의 저압측에 시동 펌프(129)의 펌프부(128)에 유체 연통되게 결합될 수 있다.In another embodiment, the
본 명세서에 개시된 다른 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102) 전체에 걸쳐 작동 유체를 순환시키도록 구성된 터보 펌프(124)와 구동 터빈(116)에 결합되어 작동되는 펌프부(104)를 포함한다. 일부의 예에서, 터보 펌프(124)는 케이싱 내에 밀폐식으로 밀봉된다. 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102)를 따라 터보 펌프(124)와 직렬로 배열된 시동 펌프(129)도 포함한다. 열 엔진 시스템(100a, 100b)은 작동 유체 회로(102) 내에 터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 하류에 배열된 제1 체크 밸브(146)를 포함한다. 열 엔진 시스템(100a)은 작동 유체 회로(102) 내에서 시동 펌프(129)의 펌프부(128)의 하류에 배열되고 제1 체크 밸브(146)에 유체 연통되게 결합된 제2 체크 밸브(148)도 포함한다.The
열 엔진 시스템(100a, 100b)은 터보 펌프(124)의 펌프부(104)와 시동 펌프(129)의 펌프부(128) 모두에 유체 연통되게 결합된 파워 터빈(110)과 펌프부(104)를 작동 유체 회로(102)의 저압측에 유체 연통되게 결합시키는 제1 재순환 라인(152)을 더 포함한다. 일부 구성에서, 열 엔진 시스템(100a 또는 100b)은 파워 터빈(110)의 하류에 유체 연통되게 결합된 레큐퍼레이터 또는 응축기(122)와 구동 터빈(116)에 유체 연통되게 결합된 추가의 레큐퍼레이터 또는 응축기(도시 생략)를 포함할 수 있다. 다른 구성에서, 열 엔진 시스템(100a 또는 100b)은 추가의 레큐퍼레이터 또는 응축기에 유체 연통되게 결합된 제3 레큐퍼레이터 또는 응축기를 포함할 수 있으며, 제1, 제2 및 제3 레큐퍼레이터 또는 응축기는 작동 유체 회로(102)를 따라 직렬로 배치된다.The
본 명세서에 개시된 다른 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a, 100b) 내의 터보 펌프(124)를 시동시키거나 및/또는 열 엔진 시스템(100a, 100b)으로 전기를 발생시키는 방법이 제공되며, 해당 방법은 시동 펌프에 의해 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내에서 순환시키고 작동 유체 회로(102)에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되는 제1 열교환기(103)에 의해 열원 스트림(90)으로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하는 것을 포함한다. 통상적으로, 작동 유체는 작동 유체 회로(102) 내에 제1 질량 유동과 제2 질량 유동을 포함하며, 작동 유체 회로의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체를 포함한다. 본 발명의 방법은 작동 유체를 터보 펌프(124)의 구동 터빈(116) 내로 유동시켜 작동 유체를 팽창시킴과 동시에 작동 유체로부터의 열 에너지를 구동 터빈(116)의 기계 에너지로 변환하여 구동 터빈(116)의 기계 에너지에 의해 터보 펌프(124)의 펌프부(104)를 구동시키는 단계를 더 포함한다. 펌프부(104)는 구동 터빈(116)에 결합될 수 있고 작동 유체는 터보 펌프(124)에 의해 작동 유체 회로(102) 내에 순환될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 터보 펌프(124)의 펌프부(104)로부터 방출되는 작동 유체를 터보 펌프(124)의 펌프부(104)와 작동 유체 회로(102)의 저압측을 유체 연통시키는 제1 재순환 라인(152) 내로 우회시키고 터보 펌프(124)가 자기 유지 작동 속도에 도달시 제1 재순환 라인(152) 내에 배열된 제1 바이패스 밸브(154)를 폐쇄하는 단계를 포함한다.In another embodiment described herein, a method is provided for starting a
다른 실시예에서, 열 엔진 시스템(100a)은 본 명세서에 개시된 여러 가지 방법을 수행하면서 활용될 수 있다. 본 발명의 방법은 열 엔진 시스템(100a) 내의 시동 펌프(129)를 작동 정지시키고 시동 펌프(129)와 작동 유체 회로(102)의 저압측을 유체 연통시키는 제2 재순환 라인(158) 내에 배열된 제2 바이패스 밸브(160)를 개방하여 시동 펌프(129)로부터 방출되는 작동 유체를 제2 재순환 라인(158) 내로 우회시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 작동 유체를 파워 터빈(110) 내로 유동시켜 작동 유체로부터의 열 에너지를 파워 터빈(110)의 기계 에너지로 변환한 후 파워 터빈(110)에 결합된 파워 발생기(112)에 의해 파워 터빈(110)의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계를 더 포함한다.In another embodiment,
일부 실시예에서, 본 발명의 방법은 작동 유체 회로(102) 내에 배열된 파워 터빈(110) 주변으로 작동 유체를 우회시키도록 차단 밸브를 폐쇄한 후에 시동 펌프(129)에 의해 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내에서 순환시키는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 일단 터보 펌프(124)가 자기 유지 작동 속도에 도달하면 차단 밸브를 개방함으로써 작동 유체를 파워 터빈(110) 내로 전달하여 파워 터빈(110) 내에서 작동 유체를 팽창시키는 것에 의해 파워 터빈(110)에 결합되어 작동되는 파워 발생기(112)를 구동시켜 전력을 발생시키는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 일단 터보 펌프(124)가 자기 유지 작동 속도에 도달하면 차단 밸브 또는 제어 밸브(133)를 개방하고, 작동 유체를 파워 터빈(110)과 유체 연통되게 결합되고 열원 스트림(90)과 열적으로 연통되는 제2 열교환기(103) 내로 전달하고, 열원 스트림(90)으로부터의 추가적인 열 에너지를 제2 열교환기(103) 내의 작동 유체로 전달하고, 제2 열교환기(103)로부터 수용된 작동 유체를 파워 터빈(110) 내에서 팽창시키고, 파워 발생기(112)가 전력을 발생하도록 작동 가능하게 파워 터빈(110)에 결합되어 작동되는 파워 발생기(112)를 구동시키는 단계를 더 포함한다.In some embodiments, the method of the present invention includes closing the shut-off valve to bypass the working fluid around the
일부 실시예에서, 본 발명의 방법은 일단 터보 펌프(124)가 자기 유지 작동 속도에 도달하면 차단 밸브를 개방하고, 열교환기(103) 내의 제1, 제2 및 제3 열교환기가 내부에 직렬로 배열되어 있는 열원 스트림(90)과 열적으로 연통되는 제2 열교환기 내로 작동 유체를 전달하고, 작동 유체를 제2 열교환기로부터 파워 터빈(110)에 유체 연통되게 결합되고 열원 스트립(90)과 열적으로 연통되는 제3 열교환기 내로 전달하고, 열원 스트림(90)으로부터의 추가의 열 에너지를 제3 열교환기 내의 작동 유체로 전달하고, 제3 열교환기로부터 수용된 작동 유체를 파워 터빈(110) 내에 팽창시키고, 파워 발생기(112)가 전력을 발생하도록 작동 가능하게 파워 터빈(110)에 결합되어 작동되는 파워 발생기(112)를 구동시키는 단계를 포함한다.In some embodiments, the method of the present invention opens the shut-off valve once the
도 2는 폐쇄 루프의 열역학적 사이클로서 구성되고 작동 유체 회로(105) 전체에 걸쳐 작동 유체를 순환시키도록 작동되는 예시적인 열 엔진 시스템(101)을 나타낸다. 열 엔진 시스템(101)은 더 세부적인 구성을 예시하고 있으며 여러 측면에서 전술한 열 엔진 시스템(100a)과 유사할 수 있다. 따라서, 열 엔진 시스템(101)은 도 1a 및 도 1b를 참조하면(동일한 구성요소는 동일한 도면 부호로 표시되고 상세히 다시 기술되지는 않음) 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 열 엔진 시스템(101)은 팽창된 작동 유체로부터의 잔류 열 에너지를 활용하여 그 각각의 팽창 이전에 추가의 작동 유체를 예열하는 "캐스케이드" 열역학적 사이클로서 특징지워질 수도 있다. 본 발명에 구현될 수 있는 다른 예시적인 캐스케이드 열역학적 사이클이 2011년 3월 22일자 출원된 "캐스케이드 사이클을 갖는 열 엔진"이란 제하의 WO2011/119650으로 공개된 PCT 출원 PCT/US11/29486에서 찾을 수 있는데, 그 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다. 작동 유체 회로(105)는 통상적으로 열 엔진 시스템(101)의 다양한 성분을 상호 연결하도록 된 다양한 도관을 포함한다. 열 엔진 시스템(101)은 폐쇄 루프 사이클로서 특징지워질 수 있지만, 열 엔진 시스템(101) 전체는 작동 유체가 주변 환경으로 전혀 누출되지 않도록 밀폐식으로 밀봉되거나 밀폐식으로 밀봉되지 않을 수 있다. 열 엔진 시스템(101)은 통상적으로 밸브와 내부의 다른 성분을 조절, 작동, 또는 그렇지 않으면 제어하도록 구성된 자동화된 제어 시스템(도시 생략)을 포함한다.FIG. 2 shows an exemplary
열 엔진 시스템(101)은 열원 스트림(Qin)과 열적으로 연통되는 열교환기(108)를 포함한다. 열원 스트림(Qin)은 다양한 고온 소스로부터 열 에너지를 얻을 수 있다. 예를 들면, 열원 스트림(Qin)은 예컨대 한정되는 것은 아니지만 가스 터빈 배기물, 공정 스트림 배기물, 노 또는 보일러 배기 스트림 등의 다른 연소 생성물 배기 스트림 또는 하나 이상의 열원으로부터 유동되는 다른 가열된 스트림과 같은 폐열 스트림일 수 있다. 따라서, 열역학적 사이클 또는 열 엔진 시스템(101)은 가스 터빈, 고정 디젤 엔진 발전기(genset), 산업적 폐열 회수(예, 정제 및 압축 스테이션에서의), 하이브리드 대체물에서의 바텀 사이클링(bottom cycling)으로부터 내연 기관에 이르는 적용을 위해 폐열을 전기로 변환하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 열원 스트림(Qin)은 한정되는 것은 아니지만 태양열 및 지열원과 같은 새로운 열 에너지원으로부터 열 에너지를 얻을 수 있다.The
열원 스트림(Qin)은 고온 소스 자체의 유체 스트림일 수 있지만, 다른 실시예에서 열원 스트림(Qin)은 고온 소스에 접촉되는 열 유체일 수 있다. 열 유체는 회로(105) 내의 작동 유체에 에너지를 전달하도록 폐열 열교환기(108)에 열 에너지를 전달할 수 있다.The heat source stream Qin may be the fluid stream of the hot source itself, but in other embodiments the heat source stream Qin may be a thermal fluid in contact with the hot source. The heat fluid may transfer thermal energy to the waste
펌프부(104)로부터 방출된 후 합류된 작동 유체(m1+m2)는 작동 유체 회로(105) 내의 106 지점에서 제1 및 제2 질량 유동(m1, m2)으로 분류된다. 제1 질량 유동(m1)은 열원 스트림(Qin)과 열적으로 연통되는 열교환기(108)로 보내진다. 각각의 질량 유동(m1, m2)은 소망하는 바에 따라 사용자, 제어 시스템 또는 시스템의 구성에 의해 제어될 수 있다.The merged working fluid m 1 + m 2 discharged from the
파워 터빈(110)은 열교환기(108)로부터 방출되는 제1 질량 유동(m1)을 수용하여 팽창시키도록 열교환기(108)의 하류에 배열된다. 파워 터빈(110)은 샤프트 일을 받도록 구성된 교류 발전기, 파워 발생기(112) 또는 다른 장치나 시스템에 결합되어 작동된다. 파워 발생기(112)는 파워 터빈(110)에 의해 발생된 기계적 일을 유용한 전력으로 변환시킨다.The
파워 터빈(110)은 제1 질량 유동(m1)을 그 하류에 유체 연통되게 결합된 제1 레큐퍼레이터(114) 내로 방출한다. 제1 레큐퍼레이터(114)는 제1 질량 유동(m1) 내의 잔류 열 에너지를 마찬가지로 제1 레큐퍼레이터(114)를 통과하는 제2 질량 유동(m2)으로 전달하도록 구성될 수 있다. 결국, 제1 질량 유동(m1)의 온도는 감소되고 제2 질량 유동(m2)의 온도는 증가된다. 제2 질량 유동(m2)은 이후 구동 터빈(116) 내에서 팽창될 수 있다.The
구동 터빈(116)은 제2 질량 유동(m2)을 그 하류에 유체 연통되게 결합된 제2 레큐퍼레이터(118) 내로 방출한다. 제2 레큐퍼레이터(118)는 제2 질량 유동(m2)으로부터의 잔류 열 에너지를 원래 펌프부(104)로부터 방출되는 합류된 작동 유체(m1+m2)로 전달하도록 구성될 수 있다. 각각의 레큐퍼레이터(114, 118)로부터 방출되는 질량 유동(m1, m2)은 작동 유체 회로(102) 내의 120 지점에서 재합류된 후 응축기(122)에서 저온 상태로 복귀된다. 응축기(122)를 통과한 후, 합류된 작동 유체(m1+m2)는 펌프부(104)로 복귀되고 사이클이 재시작된다.The
레큐퍼레이터(114, 118)와 응축기(122)는 예컨대 한정되는 것은 아니지만 직접 접촉식 열교환기, 트림 냉각기, 기계적 냉각 유닛 및/또는 이들의 임의의 조합 등을 포함하는, 작동 유체의 온도를 감소시키도록 된 임의의 장치일 수 있다. 열교환기(108), 레큐퍼레이터(114, 118) 및/또는 응축기(122)는 하나 이상의 인쇄 회로 열교환기 패널을 포함하거나 채용할 수 있다. 이러한 열교환기 및/또는 패널은 당업계에 공지되어 있으며, 그 내용이 본 발명에 부합되는 정도로 참조로 포함된 미국 특허 제6,921,518호; 제7,022,294호; 제7,033,553호에 기술되어 있다.The
하나 이상의 실시예에서, 열원 스트림(Qin)은 약 200℃의 온도 또는 터보 펌프(124)가 자기 유지 작동을 달성할 수 있는 온도에 있을 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 보다 고온의 열원 스트림 온도가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 활용될 수 있다. 그러나, 열 응력을 처리 가능한 범위로 유지하기 위해, 작동 유체 온도는 구동 터빈(116)의 상류에 액체 이산화탄소 주입을 적용하는 것을 통해 "완화"될 수 있다.In at least one embodiment, the heat source stream Qin may be at a temperature of about 200 占 폚 or at a temperature at which the
터보 펌프(124)의 시동 시퀀스를 용이하게 하기 위해, 열 엔진 시스템(101)은 회로(105) 전체에 걸쳐 미리 정해진 위치에 배열된 일련의 체크 밸브, 바이패스 밸브, 및/또는 차단 밸브를 더 포함할 수 있다. 이들 밸브는 터보 펌프(124)의 정상 상태 작동이 유지될 수 있을 때까지 작동 유체를 적절한 도관 내로 유도하는데 협력하여 작동될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다양한 밸브는 자동화된 제어 시스템(도시 생략)에 결합된 자동화된 또는 반자동화된 모터-구동 밸브일 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브들은 수동 조정 가능하거나 자동 및 수동 조정식이 조합된 형태일 수 있다.To facilitate the start-up sequence of the
예를 들면, 파워 터빈(110)으로부터 상류에 배열된 차단 밸브(132)는 열 엔진 시스템(101)의 시동 및/또는 작동 증진 중에 폐쇄될 수 있다. 결국, 열교환기(108)에서 가열된 후, 제1 질량 유동(m1)은 제2 우회 라인(134)과 제2 우회 라인(136)을 통해 파워 터빈(110) 주변으로 우회된다. 제2 우회 라인(138) 내에는 바이패스 밸브(140)가 배열되고 제1 우회 라인(134) 내에는 체크 밸브(142)가 배열된다. 제1 우회 라인(134)을 통해 순환되는 작동 유체의 일부는 제1 레큐퍼레이터(114) 내의 제2 질량 유동(m2)을 예열하는데 사용될 수 있다. 체크 밸브(144)는 제2 질량 유동(m2)이 제1 레큐퍼레이터(114)로 유동될 수 있게 한다. 제2 우회 라인(138)을 통해 순환되는 작동 유체의 일부는 제1 레큐퍼레이터(114)로부터 방출되는 제2 질량 유동(m2)과 합류되고 고온 상태의 구동 터빈(116) 내로 주입된다.For example, a shut-off
일단 터보 펌프(124)가 정상 상태 작동 속도에 도달하고 게다가 자기 유지 속도에 도달하면, 파워 터빈(110)으로부터 상류에 배열된 차단 밸브(132)가 개방될 수 있고 동시에 바이패스 밸브(140)가 폐쇄될 수 있다. 결국, 제1 질량 유동(m1)의 가열된 스트림은 파워 터빈(110)을 통해 전달되어 전력 발생을 시작할 수 있다.Once the
도 3은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 병렬형 열 엔진 사이클로 구성된 예시적인 열 엔진 시스템(200)을 나타낸다. 열 엔진 시스템(200)은 여러 측면에서 전술한 열 엔진 시스템(100a, 100b, 101)과 유사할 수 있다. 따라서, 열 엔진 시스템(200)은 도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조로 더 이해될 수 있으며, 이들 도면에서 유사 참조 번호는 다시 상세하게 설명하지 않는 유사한 성분을 지시한다. 전술한 열 엔진 시스템(100a)을 포함하여, 도 3의 열 엔진 시스템(200)은 열 에너지를 작동 유체 회로(202)를 통해 유동하는 작동 유체물의 열 팽창에 의해 일로 변환시키는데 사용될 수 있다. 그러나, 열 엔진 시스템(200)은 병렬형 랜킨 열역학적 사이클로서 특징지워질 수 있다.Figure 3 illustrates an exemplary
구체적으로, 작동 유체 회로(202)는 열원 스트림(Qin)과 열적으로 연통되게 배열된 제1 및 제2 열교환기(204, 206)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 열교환기(204, 206)는 전반적으로 도 2를 참조로 전술한 열교환기(108)에 대응할 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 제1 및 제2 열교환기(204, 206)는 각각 단일 또는 조합된 열교환기의 제1 및 제2 스테이지일 수 있다. 제1 열교환기(204)는 열원 스트림(Qin)으로부터 초기 열 에너지를 받도록 된 고온 열교환기(예, 제2 열교환기(206)에 대해 높은 온도)로서 기능할 수 있다. 제2 열교환기(206)는 제1 열교환기(204)의 하류의 직렬 연결을 통해 열원 스트림(Qin)으로부터 추가의 열 에너지를 받을 수 있다. 열교환기(204, 206)는 열원 스트림(Qin)과는 직렬이지만 작동 유체 회로(202)와는 병렬로 배열된다.Specifically, the working
제1 열교환기(204)는 파워 터빈(110)에 유체 연통되게 결합될 수 있고 제2 열교환기(206)는 구동 터빈(116)에 유체 연통되게 결합될 수 있다. 다시, 파워 터빈(110)은 제1 레큐퍼레이터(114)에 유체 연통되게 결합되며, 구동 터빈(116)은 제2 레큐퍼레이터(118)에 유체 연통되게 결합된다. 레큐퍼레이터(114, 118)는 회로(202)의 저온측에 직렬로 그리고 회로(202)의 고온측에 병렬로 배열될 수 있다. 예를 들면, 회로(202)의 고온측은 작동 유체가 열교환기(204, 206)로 전달되는 각각의 레큐퍼레이터(114, 118)의 하류에 배열된 회로(202)의 부분을 포함한다. 회로(202)의 저온측은 작동 유체가 열교환기(204, 206)로부터 멀어지게 전달되는 각각의 레큐퍼레이터(114, 118)의 하류의 회로(202)의 부분을 포함한다.The
터보 펌프(124)도 역시 전술한 바와 같이 펌프부(104)가 구동 샤프트(123)(점선으로 지시됨)를 통해 구동 터빈(116)에 결합되어 작동되는 작동 유체 회로(202) 내에 포함된다. 펌프부(104)는 단지 회로(202)의 관찰과 설명이 용이하도록 구동 터빈(116)으로부터 분리된 것으로 예시되어 있다. 사실, 구체적으로 예시되지 않았지만, 펌프부(104)와 구동 터빈(116) 모두는 케이싱(126) 내에 밀폐식으로 밀봉될 수 있다(도 1). 시동 펌프(129)는 열 엔진 시스템(200)의 시동과 터보 펌프(124)의 작동 증진 중에 터보 펌프(124)에 대한 시동 시퀀스를 가능케 한다. 일단 터보 펌프(124)가 정상 상태 작동에 도달되면, 시동 펌프(129)는 작동 정지될 수 있다.The
파워 터빈(110)은 제1 열교환기(204)를 가로지른 열원 스트림(Qin)의 온도 강하에 기인하여 구동 터빈(116)보다 높은 상대 온도(예, 보다 고온의 터빈 유입 윤도)에서 작동할 수 있다. 파워 터빈(110)과 구동 터빈(116)은 각각 동일하거나 거의 동일한 유입 압력으로 작동하도록 구성될 수 있다. 각각의 레큐퍼레이터(114, 118)를 벗어나는 저압의 방출 질량 유동은 회로(202)의 저온측으로의 복귀를 위해 냉각될 응축기(122)를 통해 작동 스테이지에 따라 주 펌프부 또는 시동 펌프부(104, 128)로 전달될 수 있다.The
열 엔진 시스템(200)의 정상 상태 작동 중에, 터보 펌프(124)는 펌프부(104)를 사용하여 회로(202) 전체에 걸쳐 모든 작동 유체를 순환시키며 시동 펌프(129)는 통상적으로는 작동되지도 필요하지도 않다. 제1 재순환 라인(152) 내의 제1 바이패스 밸브(154)는 완전 폐쇄되어 작동 유체가 210 지점에서 제1 및 제2 질량 유동(m1, m2)으로 분리된다. 제1 질량 유동(m1)은 제1 열교환기(204)를 통해 전달되고 이후 파워 터빈(110) 내에서 팽창되어 파워 발생기(112)를 통해 전력을 발생시킨다. 파워 터빈(110)을 지난 다음, 제1 질량 유동(m1)은 제1 레큐퍼레이터(114)를 통과하면서 해당 제1 질량 유동(m1)이 제1 열교환기(204) 측으로 전달될 때 잔류 열 에너지를 제1 질량 유동(m1)으로 전달한다.During steady state operation of the
제2 질량 유동(m2)은 제2 열교환기(206)를 통해 전달되고 이후 구동 터빈(116) 내에서 팽창되어 구동 샤프트(123)를 통해 펌프부(104)를 구동시킨다. 구동 터빈(116)을 지난 다음, 제2 질량 유동(m2)은 제2 레큐퍼레이터(118)를 통과하면서 해당 제2 질량 유동(m2)이 제2 열교환기(206) 측으로 흐를 때 잔류 열 에너지를 제2 질량 유동(m2)으로 전달한다. 이후 제2 질량 유동(m2)은 제1 질량 유동(m1)과 재합류되고, 합류된 질량 유동(m1+m2)은 이후 응축기(122) 내에서 냉각된 후 다시 펌프부(104)로 보내져서 유체 루프를 새로이 시작한다.The second mass flow m 2 is delivered through the
열 엔진 시스템(200)의 시동과 터보 펌프(124)의 작동 증진 중에 시동 펌프(129)는 작동에 개입되어 터보 펌프(124)의 회전을 시작하도록 작동될 수 있다. 이러한 시동 또는 작동 증진을 용이하게 하기 위해, 작동 유체가 제1 열교환기(204)로 전혀 전달되지 않도록 하거나 또는 그렇지 않으면 파워 터빈(110) 내에서 팽창되지 않도록 210 지점의 하류에 배열된 차단 밸브(214)가 초기에 폐쇄된다. 엄밀하게는, 펌프부(128)로부터 방출되는 모든 작동 유체는 밸브(215)를 통해 제2 열교환기(208)와 구동 터빈(116)으로 보내진다. 가열된 작동 유체는 구동 터빈(116) 내에서 팽창되어 펌프부(104)를 구동시킴으로써 터보 펌프(124)의 작동을 개시한다.During start-up of the
210 지점 근처의 터보 펌프(124)의 펌프부(128)에 의해 발생된 수두 압력은 작동 증진 중에 펌프부(104)로부터 방출되는 저압 작동 유체가 제1 체크 밸브(146)를 횡단하는 것을 방지한다. 펌프부(104)가 터보 펌프(124)의 실속 속도를 지나 가속될 수 있을 때까지 제1 재순환 라인(152) 내의 제1 바이패스 밸브(154)는 완전 개방되어 저압 작동 유체를 예컨대 응축기(122)의 유입구에 인접한 156 지점인 작동 유체 회로(202) 내의 저압 지점으로 다시 재순환시킬 수 있다. 펌프부(128)의 유입구는 제1 바이패스 밸브(154)의 상류의 지점에서 제1 재순환 라인(152)과 유체 연통 상태에 있다. 일단 터보 펌프(124)가 자기 유지 속도에 도달하면, 바이패스 밸브(154)는 점진적으로 폐쇄되어 펌프부(104)의 방출 압력을 증가시키고 그리고 제1 재순환 라인(152)을 통한 유량을 감소시킬 수 있다. 일단 터보 펌프(124)가 정상 상태 작동에 도달하고 그리고 심지어 자기 유지 속도에 도달하면, 차단 밸브(214)가 점차적으로 개방되어 제1 질량 유량(m1)이 파워 터빈(110) 내에서 팽창되도록 함으로써 전기 에너지의 생성을 시작할 수 있다. 열 엔진 시스템(200)은 통상적으로 밸브와 내부의 다른 성분을 조절, 작동, 또는 그렇지 않으면 제어하도록 구성된 자동화된 제어 시스템(도시 생략)을 가진다.The head-water pressure generated by the
시동 펌프(129)는 정상 상태 작동 속도로 작동하는 터보 펌프(124)에 의해 점진적으로 출력 감소되어 작동 정지될 수 있다. 시동 펌프(129)의 작동 정지는 제2 재순환 라인(158)에 배열된 제2 바이패스 밸브(160)의 동시 개방을 포함할 수 있다. 제2 바이패스 밸브(160)는 펌프부(128)로부터 방출되는 점진적으로 저압의 작동 유체가 작동 유체 회로의 저압측(예, 156 지점)으로 빠져나갈 수 있게 한다. 결국, 제2 바이패스 밸브(160)는 펌프부(128)의 속도가 느려져서 정지될 때 완전히 개방될 수 있으며 제2 체크 밸브(148)는 펌프부(104)에 의해 방출되는 작동 유체가 펌프부(128)의 방출 측으로 전진되는 것을 방지한다. 정상 상태에서, 터보 펌프(124)는 구동 터빈(116)과 파워 터빈(110) 모두를 구동시키기 위해 작동 유체 회로(202)를 연속적으로 가압한다.The
도 4는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 병렬식 열 엔진 사이클로 구성된 열 엔진 시스템(300)의 개략도를 나타낸다. 열 엔진 시스템(300)은 여러 측면에서 전술한 열 엔진 시스템(100a, 100b, 101, 200)과 유사할 수 있으므로 도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3을 참조로 가장 잘 이해될 수 있으며, 이들 도면에서 유사 참조 번호는 이후 다시 설명되지 않는 유사 요소에 대응한다. 열 엔진 시스템(300)은 마찬가지로 열원 스트림(Qin)과 열적으로 연통되는 제3 열교환기(304)를 사용하는 작동 유체 회로(302)를 포함한다. 열교환기(204, 206, 304)는 열원 스트림(Qin)과 직렬로 배열되지만 작동 유체 회로(302)와는 병렬로 배열된다.4 shows a schematic diagram of a
터보 펌프(124)(예, 구동 샤프트(123)를 통해 결합되어 작동되는 구동 터빈(116)과 펌프부(104)의 조합)는 특히 열 엔진 시스템(300)의 시동과 터보 펌프(124)의 작동 증진 중에 시동 펌프(129)와 연속으로 작동되도록 배열 및 구성된다. 열 엔진 시스템(300)의 정상 상태 작동 중에 시동 펌프(129)는 통상적으로는 작동하지 않는다. 대신, 펌프부(104)만 이후 306 지점에서 제1 및 제2 질량 유동(m1, m2)으로 분리되는 작동 유체를 방출한다. 제3 열교환기(304)는 열원 스트림(Qin)으로부터 해당 열교환기를 통해 흐르는 제1 질량 유동(m1)으로 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 이후 제1 질량 유동(m1)은 팽창 파워 생성을 위해 제1 열교환기(204)와 파워 터빈(110)으로 보내진다. 파워 터빈(110) 내에서의 팽창 후에, 제1 질량 유동(m1)은 제1 레큐퍼레이터(114)를 통과하면서, 제3 열교환기(304)로부터 방출되어 제1 열교환기(204) 측으로 흐르는 제1 질량 유동(m1)에 잔류 열 에너지를 전달한다.The combination of the turbo pump 124 (e.g., the combination of the
제2 질량 유동(m2)은 밸브(215), 제2 레큐퍼레이터(118), 제2 열교환기(206)로 보내진 후 구동 터빈(116) 내에서 팽창됨으로써 펌프부(104)를 구동시킨다. 구동 터빈(116)으로부터 방출된 후, 제2 질량 유동(m2)은 308 지점에서 제1 질량 유동(m1)과 합류된다. 이후 합류된 질량 유동(m1+m2)은 제2 레큐퍼레이터(118)를 통과하면서, 제2 질량 유동(m2)이 제2 열교환기(206) 측으로 흐를 때 해당 제2 질량 유동(m2)에 잔류 열 에너지를 제공한다.The second mass flow m 2 is sent to the
열 엔진 시스템(300)의 시동 및/또는 터보 펌프(124)의 작동 증진 도중에 펌프부(128)는 제1 바이패스 밸브(152)로부터 작동 유체를 끌어와 순환시킴으로써 터보 펌프(124)의 회전을 개시한다. 차단 밸브(214)는 초기에 폐쇄되어 작동 유체가 제1 및 제3 열교환기(204, 304)를 통해 순환되면서 파워 터빈(110) 내에서 팽창되는 것을 방지할 수 있다. 펌프부(128)로부터 방출되는 작동 유체는 제2 열교환기(206)와 구동 터빈(116)을 통해 보내진다. 가열된 작동 유체는 구동 터빈(110) 내에서 팽창되어 펌프부(104)를 구동함으로써 터보 펌프(124)의 작동을 개시한다.During the startup of the
터보 펌프(124)의 펌프부(104)의 방출 압력이 터보 펌프(124)의 실속 속도를 지나 가속됨으로써 시동 펌프(129)의 펌프부(128)에 의해 발생된 수두 압력을 견딜 수 있을 때까지, 펌프부(104)로부터 방출되는 임의의 작동 유체는 펌프부(128) 측으로 보내지거나 제1 재순환 라인(152)을 통해 다시 작동 유체 회로(202) 내의 저압 지점(예, 156 지점)으로 재순환된다. 일단 터보 펌프(124)가 자기 유지 상태가 되면, 바이패스 밸브(154)는 점차적으로 폐쇄되어 펌프부(104) 방출 압력을 증가시키고 제1 재순환 라인(152)을 통한 유량을 감소시킬 수 있다. 이후, 차단 밸브(214)도 점차적으로 개방되어 파워 터빈(110)을 통한 제1 질량 유동(m1)의 순환을 개시함으로써 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 이후, 열 엔진 시스템(300) 내의 시동 펌프(129)는 제2 재순환 라인(158) 내에 배열된 제2 바이패스 밸브(160)를 동시에 개방하면서 점진적으로 작동 정지될 수 있다. 결국, 제2 바이패스 밸브(160)는 완전 개방되고 펌프부(128)는 작동이 느려지면서 정지될 수 있다. 열 엔진 시스템(300)은 통상적으로 밸브와 내부의 다른 성분을 조절, 작동 또는 그렇지 않으면 제어하도록 구성된 자동화된 제어 시스템(도시 생략)을 갖는다.Until the discharge pressure of the
도 5는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 다른 병렬형 열 엔진 사이클로 구성된 열 엔진 시스템(400)의 개략도를 나타낸다. 열 엔진 시스템(400)은 열 엔진 시스템(300)과 유사할 수 있으므로 도 3을 참조로 가장 잘 이해될 수 있으며, 도면에서 유사 도면 부호는 이후 다시 설명하지 않을 유사 성분에 대응한다. 도 5에 나타낸 작동 유체 회로(402)는 추가적인 제3 레큐퍼레이터(404)를 제외하고 도 4에 도시된 작동 유체 회로(302)와 거의 유사하다. 제3 레큐퍼레이터(404)는 제2 레큐퍼레이터(118)로부터 방출되는 결합된 질량 유동(m1+m2)으로부터 추가적인 열 에너지를 얻도록 적합화될 수 있다. 따라서, 제3 열교환기(304)로 들어가는 제1 질량 유동(m1) 내의 작동 유체는 열원 스트림(Qin)으로부터 전달되는 열 에너지를 받기 이전에 제3 레큐퍼레이터(404) 내에서 예열될 수 있다.5 illustrates a schematic diagram of a
예시된 바와 같이, 레큐퍼레이터(114, 118, 404)는 개별 열교환 기구로서 작동될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 레큐퍼레이터(114, 118, 404)는 단일의 일체형 레큐퍼레이터로서 결합될 수 있다. 정상 상태 작동, 시스템 시동 및 터보 펌프(124)의 작동 증진은 도 3에서 전술한 바와 거의 유사할 수 있으므로 다시 설명되지 않는다.As illustrated, the
도 1a 내지 도 5에 설명된 시스템 각각은 한정되는 것은 아니지만 고정형 또는 일체형 설비를 포함하거나 휴대용 폐열 엔진 "스키드"와 같은 내장형 장치로서 다양한 물리적 실시예로 구현될 수 있다. 폐열 엔진 스키드는 각각의 작동 유체 회로와 관련 성분(예, 터빈(110, 116), 레큐퍼레이터(114, 118, 404), 응축기(122), 펌프부(104, 128) 및/또는 다른 성분)을 통합된 단일 유닛으로 배열하도록 구성될 수 있다. 예시적인 폐열 엔진 스키드가 US 2011-0185729로 공개된 2009년 12월 9일자 출원된 "열 에너지 변환 장치"라는 제하의 통상적으로 양도된 미국 출원 제12/631, 412호에 기술 및 예시되고 있는데, 해당 문헌의 내용은 본 발명에 부합되는 정도로 본 명세서에 참조로 포함된다.Each of the systems illustrated in Figs. 1A-5 may be implemented in a variety of physical embodiments, including but not limited to fixed or integral installations or as embedded devices such as portable waste heat engine "skids ". The waste heat engine skids may be used to drive the respective working fluid circuit and associated components (e.g.,
도 6은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라 작동 중 활용되는 열역학적 작동 유체 회로를 갖는 열 엔진 시스템 내의 터보 펌프 시동 방법(500)의 흐름도이다. 방법(500)은 502에서 터보 펌프와 직렬로 연결된 시동 펌프에 의해 작동 유체 회로 내에서 작동 유체를 순환시키는 단계를 포함한다. 시동 펌프는 제1 열교환기와 유체 연통 상태일 수 있고, 제1 열교환기는 열원 스트림과 열적으로 연통될 수 있다. 열 에너지는 504에서 제1 열교환기 내의 열원 스트림으로부터 작동 유체로 전달된다. 방법(500)은 506에서 작동 유체를 구동 터빈 내에서 팽창시키는 단계를 더 포함한다. 구동 터빈은 제1 열교환기에 유체 연통되게 결합되며, 구동 터빈은 펌프부에 작동적으로 결합됨으로써 구동 터빈과 펌프부의 조합은 터보 펌프가 된다.6 is a flow diagram of a turbo
508에서 펌프부는 구동 터빈에 의해 구동된다. 510에서, 펌프부가 펌프의 실속 속도를 지나 가속될 때까지, 펌프부로부터 방출되는 작동 유체는 시동 펌프로 또는 제1 재순환 라인 내로 우회된다. 제1 재순환 라인은 펌프부와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통시킬 수 있다. 더욱이, 제1 재순환 라인 내에 제1 바이패스 밸브가 배열될 수 있다. 512에서, 터보 펌프가 자기 유지 작동 속도에 도달할 때, 제1 바이패스 밸브는 점진적으로 폐쇄되기 시작한다. 결국, 514에서, 펌프부는 작동 유체 회로를 통해 펌프부로부터 방출되는 작동 유체의 순환을 개시한다.At 508, the pump section is driven by the drive turbine. At 510, the working fluid discharged from the pump portion is bypassed into the starter pump or into the first recycle line until the pump portion is accelerated past the stall speed of the pump. The first recirculation line is capable of fluid communication between the pump section and the low pressure side of the working fluid circuit. Furthermore, the first bypass valve can be arranged in the first recirculation line. At 512, when the turbo pump reaches its self-maintaining operating speed, the first bypass valve begins to gradually close. As a result, at 514, the pump section initiates the circulation of the working fluid discharged from the pump section through the working fluid circuit.
또한, 방법(500)은 516에서 시동 펌프를 작동 정지시키고 제2 재순환 라인 내에 배열된 제2 바이패스 밸브를 개방하는 것을 포함할 수 있다. 제2 재순환 라인은 시동 펌프와 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통시킬 수 있다. 518에서, 시동 펌프로부터 방출되는 저압의 작동 유체는 시동 펌프가 정지될 때까지 제2 재순환 라인 내로 우회될 수 있다.The
다음의 개시 내용은 이 발명의 상이한 요소, 구조, 또는 기능을 구현하기 위한 몇몇 예시적인 실시예들을 기술함을 이해하여야 한다. 이 개시 내용을 단순화 하기 위해, 아래에서는, 구성요소, 배열, 및 구조들의 예시적인 실시예들이 기술되지만, 이러한 예시적인 실시예들은 단지 예로서 제공되며 이 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 또한, 이 개시 내용은, 다양한 예시적인 실시예에서, 그리고 본 명세서에 제공된 도면의 전반에 걸쳐, 인용 숫자 및/또는 문자들을 반복할 수 있을 것이다. 이 반복은 단순 명료함을 위한 것이며, 그 자체가 다양한 도면에서 설명되는 다양한 예시적인 실시예들 및/또는 구조들 사이의 관계에 영향을 주는 것은 아니다. 또한, 다음의 기술에서 제2 요소 위에 또는 제2 요소 상에 제1 요소를 형성하는 것은, 제1 요소 및 제2 요소가 직접 접촉으로 형성되는 실시예들을 포함할 수 있을 것이고, 제1 요소와 제2 요소가 직접 접촉하지 않을 수 있도록 제1 요소와 제2 요소에 개입하는 추가적 요소들이 형성될 수 있을 것인 실시예들을 포함할 수 있을 것이다. 마지막으로, 이 개시 내용의 범위로부터 벗어남이 없이, 아래에 제시된 예시적인 실시예들은 어떤 조합 방식으로든 조합될 수 있을 것이고, 즉, 하나의 예시적인 실시예로부터의 어떤 요소가 어떤 다른 예시적인 실시예에서든 이용될 수 있을 것이다.It is to be understood that the following disclosure describes some exemplary embodiments for implementing the different elements, structures, or functions of the present invention. To simplify this disclosure, exemplary embodiments of components, arrangements, and structures are described below, but these exemplary embodiments are provided by way of example only and are not intended to limit the scope of the invention. This disclosure will also be able to repeat the citation numbers and / or characters in various exemplary embodiments and throughout the drawings provided herein. This repetition is for simplicity and does not in itself affect the relationship between the various illustrative embodiments and / or structures illustrated in the various figures. Furthermore, in the following description, forming the first element on the second element or on the second element may include embodiments in which the first element and the second element are formed in direct contact, Additional elements intervening in the first element and the second element may be formed such that the second element is not in direct contact. Finally, it is understood that, without departing from the scope of this disclosure, the exemplary embodiments presented below may be combined in any combination, that is, any element from one exemplary embodiment may be combined with any other exemplary embodiment And the like.
또한, 다음의 기술 및 청구범위의 전반에 걸쳐 특정한 구성요소를 지칭하기 위해 특정한 용어들이 이용된다. 이 기술분야에서 숙련된 자가 알 수 있듯이, 다양한 개체들이, 본 명세서에 기술된 요소들에 대한 관습적 호칭과 같이, 동일한 구성요소를 상이한 이름으로 지칭할 수 있을 것이고, 이 문서에서 명확하게 달리 정의되지 않는 한, 이 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 이용되는 관습적 호칭은 기능이 상이한 것이 아니라 이름이 상이한 구성요소들을 구별하려는 것이 아니다. 또한, 다음의 설명 및 청구범위에서, 용어 "포함하다(including)" 및 "구성하다(comprising)"는 개방 종결형으로 이용되며, 그래서, "포함하지만 한정되지는 않음"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 이 개시 내용에서 모든 수치는 명확하게 달리 말하지 않는 한 정확하거나 또는 대략적인 값일 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 의도된 범위로부터 벗어남이 없이, 숫자, 값, 및 범위로부터 이 개시 내용의 다양한 실시예들이 파생될 수 있을 것이다. 또한, 청구범위 또는 명세서에서 이용되는 바로서, 용어 "또는"은 배타적인 경우 및 포괄적인 경우 둘 다를 망라하려는 것이며, 즉, "A 또는 B"는, 이 문서에서 명시적으로 달리 지정되지 않는 한, "A와 B 중 적어도 하나"와 동의어일 것이 의도된다.In addition, specific terms are used throughout the following description and claims to refer to specific components. As one of ordinary skill in the art will appreciate, various entities may refer to the same component with different names, such as the customary designation for the elements described herein, It is not intended to limit the scope of the invention. In addition, the conventional nomenclature used herein is not intended to distinguish between components having different names but different functions. Also, in the following description and claims, the terms "including" and "comprising" are used in an open ended form and should be construed accordingly to mean "including but not limited to" . All numbers in this disclosure may be accurate or approximate unless explicitly stated otherwise. Accordingly, various embodiments of the present disclosure may be derived from the numbers, values, and ranges without departing from the intended scope disclosed herein. Also, as used in the claims or specification, the term "or" is intended to encompass both exclusively and collectively, that is, "A or B ", unless the context clearly dictates otherwise in this document , "At least one of A and B ".
이 기술분야에서 숙련된 자가 이 개시 내용을 더 잘 이해할 수 있도록, 앞에서 몇몇 실시예들의 개요를 설명하였다. 이 기술분야에서 숙련된 자는, 자신들이, 본 명세서에서 도입된 실시예들과 동일한 목적을 성취하거나 및/또는 동일한 이점을 얻기 위해 다른 공정 및 구조를 설계 또는 수정하기 위한 근거로서, 이 개시 내용을 쉽게 이용할 수 있을 것임을 알 것이다. 이 기술분야에서 숙련된 자는, 그러한 동등한 구성들이 이 개시 내용의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않으며, 이 개시 내용의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이, 본 명세서에 대한 다양한 변화, 대체 및 변경을 만들 수 있을 것임을 알 것이다. In order that those skilled in the art may better understand the present disclosure, a summary of some embodiments has been presented above. Those skilled in the art will appreciate that they may employ this disclosure as a basis for designing or modifying other processes and structures to achieve the same objectives and / or to achieve the same benefits as the embodiments introduced herein Will be readily available. It will be understood by those skilled in the art that such equivalent constructions do not depart from the spirit and scope of this disclosure and that various changes, substitutions and alterations can be made herein without departing from the spirit and scope of the disclosure. I will know.
90 : 열원 스트림
100a : 열 엔진 시스템
102 : 작동 유체 회로
103 : 열교환기
104 : 터보 펌프의 펌프부
105 : 방출 라인
110 : 파워 터빈
112 : 파워 발생기
116 : 구동 터빈
122 : 응축기
123 : 구동 샤프트
124 : 터보 펌프
127 : 흡입 라인
128 : 시동 펌프의 펌프부
129 : 시동 펌프
146 : 제1 체크 밸브
148 : 제2 체크 밸브
152 : 제1 재순환 라인
154 : 제1 바이패스 밸브
158 : 제2 재순환 라인
160 : 제2 바이패스 밸브 90:
102: working fluid circuit 103: heat exchanger
104: pump section of the turbo pump 105: discharge line
110: power turbine 112: power generator
116: drive turbine 122: condenser
123: drive shaft 124: turbo pump
127: Suction line 128: Pump section of the starter pump
129: starter pump 146: first check valve
148: second check valve 152: first recirculation line
154: first bypass valve 158: second recirculation line
160: Second bypass valve
Claims (20)
이산화탄소를 포함하는 작동 유체를 포함하며, 상기 작동 유체의 제1 질량 유동과 작동 유체의 제2 질량 유동을 포함하는 작동 유체 회로와,
구동 터빈에 결합되어 작동되는 펌프부를 갖는 터보 펌프로서, 상기 펌프부는 상기 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합되고 상기 작동 유체를 상기 작동 유체 회로를 통해 순환시키도록 구성되는 것인, 터보 펌프와,
모터에 결합되어 작동되고 상기 작동 유체를 상기 작동 유체 회로 내에서 순환시키도록 구성되는 펌프부를 갖는 시동 펌프로서, 상기 시동 펌프의 펌프부와 상기 터보 펌프의 펌프부는 상기 작동 유체 회로에 직렬로 유체 연통되게 결합되는 것인, 시동 펌프와,
상기 작동 유체 회로에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되며, 열원 스트림에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되도록 구성되고, 상기 열원 스트림으로부터 상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 제1 질량 유동으로 열 에너지를 전달하도록 구성되는 제1 열교환기와,
상기 작동 유체 회로에 유체 연통되게 결합되는 파워 터빈으로서, 상기 제1 열교환기의 하류에 배치되며, 상기 파워 터빈을 통해 유동하는 작동 유체의 제1 질량 유동 내에서의 압력 강하에 의해 열 에너지를 기계 에너지로 변환하도록 구성되는 파워 터빈과,
상기 파워 터빈에 유체 연통되게 결합되고 상기 파워 터빈으로부터 방출된 제1 질량 유동을 수용하도록 구성되는 제1 레큐퍼레이터(recuperator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 엔진 시스템. As a thermal engine system,
A working fluid circuit comprising a working fluid comprising carbon dioxide and comprising a first mass flow of the working fluid and a second mass flow of the working fluid,
A turbo pump having a pump portion operatively associated with a drive turbine, the pump portion being configured to be fluidly coupled to the working fluid circuit and to circulate the working fluid through the working fluid circuit;
A pump section of the starter pump and a pump section of the turbo pump are connected in fluid communication with the working fluid circuit in series with the working fluid circuit, The pump being coupled to the pump,
A first mass flow of the working fluid in the working fluid circuit from the heat source stream, and a second mass flow of the working fluid in the working fluid circuit, wherein the first mass flow of the working fluid in the working fluid circuit is configured to be in fluid communication with the working fluid circuit, A first heat exchanger configured to deliver energy,
A power turbine disposed downstream of the first heat exchanger and operable to heat energy by a pressure drop in a first mass flow of a working fluid flowing through the power turbine, A power turbine configured to convert the energy into energy,
And a first recuperator coupled to the power turbine in fluid communication and configured to receive a first mass flow discharged from the power turbine.
상기 구동 터빈은 상기 제2 질량 유동을 수용하여 팽창시키고, 상기 제2 질량 유동을 상기 제2 레큐퍼레이터 내로 방출하도록 구성되는 것인 열 엔진 시스템.The turbine of claim 1, further comprising a second correlator coupled in fluid communication with the drive turbine,
Wherein the drive turbine is configured to receive and expand the second mass flow and discharge the second mass flow into the second regulator.
상기 시동 펌프와 상기 작동 유체 회로의 상기 저압측을 유체 연통되게 결합시키는 제2 재순환 라인과,
상기 제1 재순환 라인 내에 배열되는 제1 바이패스 밸브와,
상기 제2 재순환 라인 내에 배열되는 제2 바이패스 밸브를 더 포함하는 열 엔진 시스템.The system of claim 1, further comprising: a first recirculation line for fluidly communicating the low pressure side of the pump section with the working fluid circuit;
A second recirculation line for fluidly coupling the starter pump and the low pressure side of the working fluid circuit,
A first bypass valve arranged in the first recirculation line,
And a second bypass valve arranged in the second recirculation line.
시동 펌프를 이용하여 이산화탄소를 포함하는 작동 유체를 작동 유체 회로 내에서 순환시키는 단계로서, 상기 작동 유체 회로는 상기 작동 유체의 제1 질량 유동과 상기 작동 유체의 제2 질량 유동을 포함하고, 상기 작동 유체 회로의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체를 포함하는 것인, 순환 단계와,
상기 작동 유체 회로에 대해 유체 연통되게 결합되고 열적으로 연통되는 제1 열교환기를 이용하여 열원 스트림으로부터 상기 작동 유체로 열 에너지를 전달하는 단계와,
상기 작동 유체를 터보 펌프의 구동 터빈 내로 유동시켜 상기 작동 유체를 팽창시키면서 상기 작동 유체로부터의 열 에너지를 상기 구동 터빈의 기계 에너지로 변환시키는 단계와,
상기 구동 터빈의 상기 기계 에너지를 이용하여 상기 터보 펌프의 펌프부를 구동시키는 단계로서, 상기 펌프부는 상기 구동 터빈에 결합되고 상기 작동 유체는 상기 터보 펌프에 의해 상기 작동 유체 회로 내에서 순환되는 것인, 구동 단계와,
상기 터보 펌프의 펌프부로부터 방출된 작동 유체를 상기 터보 펌프의 펌프부와 상기 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통시키는 제1 재순환 라인 내로 우회시키는 단계로서, 상기 제1 재순환 라인은 내부에 배치된 제1 바이패스 밸브를 갖는 것인, 우회 단계와,
상기 터보 펌프가 자기 유지 작동 속도(self-sustaining speed of operation)에 도달할 때 상기 제1 바이패스 밸브를 폐쇄하는 단계와,
상기 시동 펌프를 정지시키고, 상기 시동 펌프와 상기 작동 유체 회로의 상기 저압측을 유체 연통시키는 제2 재순환 라인 내에 배열된 제2 바이패스 밸브를 개방하는 단계와,
상기 시동 펌프로부터 방출된 작동 유체를 상기 제2 재순환 라인 내로 우회시키는 단계를 포함하는 터보 펌프의 시동 방법. CLAIMS 1. A method for starting a turbo pump in a heat engine system,
Circulating a working fluid including carbon dioxide in a working fluid circuit using a starter pump, the working fluid circuit comprising a first mass flow of the working fluid and a second mass flow of the working fluid, Wherein at least a portion of the fluid circuit comprises a working fluid in a supercritical state,
Transferring thermal energy from the heat source stream to the working fluid using a first heat exchanger in fluid communication with the working fluid circuit and in thermal communication therewith;
Converting the thermal energy from the working fluid into mechanical energy of the driving turbine while causing the working fluid to flow into the driving turbine of the turbo pump to expand the working fluid;
Driving the pump section of the turbo pump using the mechanical energy of the drive turbine, wherein the pump section is coupled to the drive turbine and the working fluid is circulated in the working fluid circuit by the turbo pump. A driving step,
Circulating the working fluid discharged from the pump portion of the turbo pump into a first recirculation line for fluid communication between the pump portion of the turbo pump and the low pressure side of the working fluid circuit, A bypass valve having a first bypass valve,
Closing the first bypass valve when the turbo pump reaches a self-sustaining speed of operation,
Stopping the starter pump and opening a second bypass valve arranged in a second recirculation line for fluid communication between the starter pump and the low pressure side of the working fluid circuit,
And bypassing the working fluid discharged from the starter pump into the second recirculation line.
상기 파워 터빈에 결합된 파워 발생기를 이용하여 상기 파워 터빈의 상기 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 단계를 더 포함하는 터보 펌프의 시동 방법.14. The method of claim 13, further comprising: flowing the working fluid into a power turbine to convert thermal energy from the working fluid to mechanical energy of the power turbine;
Further comprising converting the mechanical energy of the power turbine into electrical energy using a power generator coupled to the power turbine.
상기 파워 터빈 내에서 상기 작동 유체를 팽창시키는 단계와,
전력을 발생시키기 위해 상기 파워 터빈에 결합되어 작동되는 발전기를 구동시키는 단계를 더 포함하는 터보 펌프의 시동 방법.16. The method of claim 15, further comprising: opening the shut-off valve to guide the working fluid into the power turbine when the turbo pump reaches a self-
Expanding the working fluid in the power turbine;
Further comprising the step of driving a generator coupled to the power turbine to generate power.
상기 파워 터빈에 유체 연통되게 결합되고 상기 열원 스트림과 열적으로 연통되는 제2 열교환기 내로 상기 작동 유체를 안내하는 단계와,
상기 열원 스트림으로부터 상기 제2 열교환기 내의 상기 작동 유체로 추가적인 열 에너지를 전달하는 단계와,
상기 파워 터빈 내에서 상기 제2 열교환기로부터 수용된 작동 유체를 팽창시키는 단계와,
상기 파워 터빈에 결합되어 작동되는 발전기를 구동시키는 단계로서, 상기 발전기의 구동에 의해 상기 발전기는 전력을 발생시키도록 작동될 수 있는 것인, 구동 단계를 더 포함하는 터보 펌프의 시동 방법.16. The method of claim 15, further comprising: opening the shut-off valve when the turbo pump reaches the self-
Guiding the working fluid into a second heat exchanger in fluid communication with the power turbine and in thermal communication with the heat source stream;
Transferring additional thermal energy from the heat source stream to the working fluid in the second heat exchanger,
Expanding a working fluid received from the second heat exchanger in the power turbine,
Further comprising the steps of: driving a generator coupled to the power turbine, wherein the generator is operable to generate power by driving the generator.
상기 작동 유체를 상기 열원 스트림과 열적으로 연통되는 제2 열교환기 내로 안내하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 열교환기는 상기 열원 스트림 내에 직렬로 배열되는 것인, 안내 단계와,
상기 작동 유체를 상기 제2 열교환기로부터 상기 파워 터빈에 유체 연통되게 결합되고 상기 열원 스트림과 열적으로 연통되는 제3 열교환기 내로 안내하는 단계로서, 상기 제1, 제2 및 제3 열교환기는 상기 열원 스트림 내에 직렬로 배열되는 것인, 안내 단계와,
상기 열원 스트림으로부터 상기 제3 열교환기 내의 작동 유체로 추가적인 열 에너지를 전달하는 단계와,
상기 제3 열교환기로부터 수용된 상기 작동 유체를 상기 파워 터빈 내에서 팽창시키는 단계와,
상기 파워 터빈에 결합되어 작동되는 발전기를 구동시키는 단계로서, 상기 발전기의 구동에 의해 상기 발전기는 전력을 발생시키도록 작동될 수 있는 것인, 구동 단계를 더 포함하는 터보 펌프의 시동 방법. 16. The method of claim 15, further comprising: opening the shut-off valve when the turbo pump reaches the self-
Guiding the working fluid into a second heat exchanger in thermal communication with the heat source stream, wherein the first and second heat exchangers are arranged in series in the heat source stream;
Directing the working fluid from the second heat exchanger into a third heat exchanger in fluid communication with the power turbine and in thermal communication with the heat source stream, wherein the first, second, And arranged in series in the stream,
Transferring additional thermal energy from the heat source stream to the working fluid in the third heat exchanger,
Expanding the working fluid received from the third heat exchanger in the power turbine,
Further comprising the steps of: driving a generator coupled to the power turbine, wherein the generator is operable to generate power by driving the generator.
구동 터빈에 결합되어 작동되고 케이싱 내에 밀폐식으로 밀봉된 펌프부를 갖는 터보 펌프로서, 상기 펌프부는 작동 유체를 작동 유체 회로 전체에 걸쳐 순환시키도록 구성되는 것인, 터보 펌프와,
상기 작동 유체 회로 내에서 상기 터보 펌프의 펌프부와 직렬로 배열되는 시동 펌프와,
상기 펌프부의 하류에서 상기 작동 유체 회로 내에 배열되는 제1 체크 밸브와,
상기 시동 펌프의 하류에서 상기 작동 유체 회로 내에 배열되고 상기 제1 체크 밸브에 유체 연통되게 결합되는 제2 체크 밸브와,
상기 터보 펌프의 펌프부와 상기 시동 펌프의 펌프부 모두에 유체 연통되게 결합되는 파워 터빈과,
상기 펌프부와 상기 작동 유체 회로의 저압측을 유체 연통되게 결합시키는 제1 재순환 라인과,
상기 시동 펌프와 상기 작동 유체 회로의 상기 저압측을 유체 연통되게 결합시키는 제2 재순환 라인을 포함하는 열 엔진 시스템. As a thermal engine system,
A turbo pump having a pump portion operatively associated with the drive turbine and hermetically sealed within the casing, the pump portion being configured to circulate the working fluid over the working fluid circuit;
A starter pump arranged in series with the pump section of the turbo pump in the working fluid circuit,
A first check valve arranged in the working fluid circuit downstream of the pump section,
A second check valve arranged in the working fluid circuit downstream of the starter pump and coupled in fluid communication with the first check valve,
A power turbine coupled in fluid communication with both the pump section of the turbo pump and the pump section of the starter pump,
A first recirculation line for fluidly communicating the low pressure side of the pump section with the working fluid circuit,
And a second recirculation line for fluidly communicating the low pressure side of the actuating fluid circuit with the starter pump.
상기 구동 터빈에 유체 연통되게 결합되는 제2 레큐퍼레이터를 더 포함하는 열 엔진 시스템. 20. The system of claim 19, further comprising: a first correlator coupled in fluid communication with the power turbine;
And a second regulator coupled in fluid communication with the drive turbine.
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PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |